Процессы продольной и поперечной релаксации мрт
Элементарные частицы обладают свойством вращения вокруг своей оси. В классической механике в таких случаях говорят, что они имеют “собственный угловой момент”. То же самое в квантовой физике обозначается термином “спинирование”. Элементарные частицы, имеющие заряд, вращаясь, индуцирует вокруг себя магнитное поле. Его сила зависит от величины заряда и скорости вращения. Их намагниченность можно представить в виде “микроскопической магнитной стрелки”, иначе магнитного диполя.
Индукция магнитного поля вокруг заряженной частицы
Количественно спинирование характеризуется спиновым квантовым числом. Оно для протона, нейтрона, электрона и нейтрино равно ½. Эти элементарные частицы ещё называют фермионами, в отличие от бозонов, имеющих целые значения спинового квантового числа. Проекция спина в любом направлении определяется как 2s+1, где s(или J) спиновое квантовое число. То есть для протона возможны 2 состояния внутренней степени свободы.
Протон, хотя и имеет маленький заряд, вращается столь быстро, что магнитное поле становится вполне измеримым. Магнитный момент ядра впервые был измерен учёным из Колумбийского университета (США) Isidor Isaak Rabi (1898-1988). За это достижение в 1944 году он получил Нобелевскую премию по физике.
Спин ядра составляет векторная сумма спинов элементарных частиц, входящих в его структуру. Следовательно, ядра с нечётным числом протонов или нейтронов, например 1Н, 13С, 19F, 23Na, 31P, будут также иметь нечётное значение спинового квантового числа. Именно у них наблюдается эффект ядерного магнитного резонанса. Если посмотреть на таблицу Менделеева, то элементов отвечающим данным требованиям большинство. Однако содержание элементов в организме и магнитная восприимчивость ядер существенно различаются. Поэтому для МР томографии наиболее подходит водород. Возможны исследования и по другим атомам, но потребуются высокие поля и исследование будет отражать иные патологические процессы.
Если нет внешнего магнитного поля, то “магнитные стрелки” (диполи) беспорядочно ориентированы в пространстве. Если поместить исследуемый объект в постоянное магнитное поле (обозначается значком Во), в нашем случае – пациента в отверстие магнита томографа, то ориентация диполей упорядочится. Для ядра водорода (иными словами протона) возможны 2 ориентации (то есть упоминавшиеся 2 степени свободы):
- Вдоль силовых линий магнитного поля (параллельная);
- Против силовых линий магнитного поля (антипараллельная).
Большая часть протонов ориентируется параллельно, так как это соответствует более низкому энергетическому уровню. Различие в количестве протонов ориентированных параллельно и антипараллельно казалось бы невелико: всего лишь 3 на каждые 2 млн протонов в поле 0,5 Тесла, 6 в поле 1,0 Тесла и 9 в поле 1,5 Тесла. Однако в пересчёте на объём воксела их число умножается примерно на 1015. Чем выше магнитная индукция, тем большее число протонов на верхнем энергетическом уровне, так как различие энергии между уровнями пропорционально магнитной индукции томографа.
DE=hgBo
где h – постоянная Планка; g – гиромагнитное соотношение, величина постоянная для каждого вида ядер, для водорода – 42,56 МГц/Т; Во – магнитная индукция томографа.
Квантовое описание поведения протонов в магнитном поле
Приложив такую энергию, можно заставить протоны перейти на более высокий энергетический уровень, т.е. изменить ориентацию на антипараллельную. Ту же формулу можно записать иначе:
DE=2phuo
где 2p – угол поворота на 180°; uо (иногда обозначается значком h или w) – частота электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого протонами при переходе с одного энергетического уровня на другой, и называемая также частотой Лармора, или резонансной частотой.
Соотнося обе формулы видно, что резонансная частота строго пропорциональна величине магнитной индукции. Английский физик Joseph Larmor (1857-1942) представил это в виде следующего уравнения:
2pn= w=df ¤ dt=gB , где g – резонансная частота (МГц)
w (или n0) – угловая частота
B – сила магнитного поля
Следовательно, для того, чтобы происходил процесс поглощения энергии ядром с переходом на более высокий энергетический уровень, ему надо передать ее путем помещения объекта в электромагнитное поле, частота которого находится в спектре радиоволн (≈107). Столь низкая частота по сравнению с рентгеновским излучением (≈1019) не вызывает ионизацию.
Явление ядерного магнитного резонанса – это процесс поглощения ядрами, находящимися в постоянном магнитном поле, энергии электромагнитного излучения Ларморовской частоты с переходом на более высокий энергетический уровень и изменение ориентации (возбуждение), а затем возврата в исходное состояние (релаксация) с потерей избытка энергии в виде излучения той же частоты. Резонансная частота разных ядер отличается, у водорода составляет 42,56 МГц, фосфора – 17,2 МГц в поле 1,0 Тесла.
Эффект ядерного магнитного резонанса впервые был описан в 1946 году американскими учёными Felix Bloch (1905-1983) и Edward Mills Purcell (1912-1997), за что в 1952 году они получили Нобелевскую премию по физике.
Графическое отображение зависимости Лармора
Магнитный момент вращающегося (спинирующего) ядра в магнитном поле ориентирован не строго параллельно или антипараллельно, а производит вокруг оси Z, совпадающей с направлением внешнего поля, Во конусовидное движение. Это движение магнитного момента называется прецессией.
Графическое описание прецессии вектора М спинирующего ядра (вверху) и результирующей составляющей магнитных моментов (внизу)
Частота прецессии определяется из уравнения Лармора
uо = g Bо / (2p)
где uо – частота прецессии (она же резонансная частота, о которой упоминалось выше, выраженная в радианах на Тесла за секунду).
Магнитные моменты отдельно взятых ядер прецессируют с одинаковой частотой в разных фазовых отношениях, т.е. вектор М неодинаково расположен на конусе прецессии. Однако если их суммировать, то результирующая составляющая магнитных моментов М будет направлена параллельно оси Z. Составляющие магнитных моментов в плоскости X-Y из-за разнонаправленности в сумме дают нулевое значение.
Чтобы заставить изменить ориентацию спинирования (направление вектора М) на противоположную, надо приложить дополнительное магнитное поле, перпендикулярное основному, и индуцирующее еще одно вращение (прецессию) вокруг него. Эту роль играет создание внешнего радиочастотного поля, обозначаемого В1. Под его действием конус прецессии отклоняется и результирующая составляющая магнитных моментов М образует с осью Z угол, называемый углом возбуждения ( α или j ). Угол возбуждения зависит от количества энергии, передаваемой радиочастотным импульсом.
Действие возбуждающего импульса В1
Влияние угла возбуждения на сигнал.
Представим себе частый случай, когда под действием поля В1 направленного по плоскости X-Y и вращающегося с частотой равной частоте естественной прецессии, произойдет уплощение конуса прецессии. Тогда результирующая составляющая магнитных моментов М окажется в плоскости X-Y (Mz = 0). Такой импульс носит название 90 – градусного, или p/2. Вращение вектора Мx-y называется поперечной намагниченностью (обозначается Mt). Одновременно происходит и другой процесс – сфазирование спинов, то есть переход вращения от рассыпного к компактному в плоскости X-Y. С точки зрения квантовой физики, действие 90° – импульса приводит к уравновешиванию верхнего и нижнего энергетических уровней.
Состояние после действия 90º импульса
В другом частом случае под действием поля В1 произойдет переворачивание (вывертывание) конуса прецессии через плоскость X-Y. Тогда результирующая составляющая магнитных моментов М окажется на оси Z (Mt = 0). Такой импульс носит название 180 – градусного, или p. Нахождение вектора М на оси Z называется продольной намагниченностью (обозначается Мz). С точки зрения квантовой физики, действие 180° – импульса приводит к переходу всех протонов на верхний энергетический уровень, т.е. к смене ориентации на антипараллельную.
Состояние после действия 180º импульса
Антенна (приёмная катушка) всегда расположена в МР томографе в плоскости перпендикулярной направлению основного магнитного поля. Поэтому только поперечная намагниченность порождает сигнал в катушке, обозначаемый как сигнал спада свободной индукции (ССИ). Продольная намагниченность не порождает ССИ и отражает тепловое равновесие в системе протонов. После прекращения действия импульса спиновая система стремится в исходное, устойчивое состояние. Переход спиновой системы в магнитном поле из возбужденного состояния в исходное называется процессом релаксации.
Рассмотрим действие 90° – импульса. До его действия поперечная намагниченность (Мt) равна 0, продольная (Мz) – максимальна. В момент действия импульса поперечная намагниченность становится максимальной, продольная равна 0. Затем начинается процесс релаксации. Он идет независимо по двум путям.
Графическое описание намагниченности до и после действия 90º импульса
Первый связан с уменьшением величины поперечной намагниченности за счет расфазирования на отдельные магнитные моменты М от компактного вращения к рассыпному. Процесс происходит в связи с влиянием малых магнитных полей ядер (спин-спиновое взаимодействие) друг на друга.
Спин-спиновое взаимодействие
Т2 отражает расфазировку системы, т.е. как долго резонирующие ядра удерживают поперечную намагниченность. Этот тип релаксации называется спин – спиновой и происходит за время Т2. За это время сигнал теряет 36,8% своего исходного значения. Зависит Т2 главным образом от внутренних свойств тканей. В жидкостях Т2 велико, в твердых телах – мало, так как межъядерное взаимодействие сильнее. В реальных условиях за счет неоднородности статического магнитного поля спин – спиновая релаксация протекает несколько быстрее и обозначается Т2*. Если амплитуда ССИ зависит от протонной плотности, то его экспоненциальное затухание – от Т2. Колебание сигнала происходит с резонансной частотой. Следует заметить, что ССИ – это сигнал в отсутствии магнитных градиентов.
Второй тип релаксации связан с восстановлением продольной намагниченности (теплового равновесия) путем обмена энергией с окружающей средой или, иначе говоря, “решеткой”, в которой заключены ядра. Он происходит в виде беспорядочных столкновений между молекулами. Этот тип релаксации называется спин – решёточной и происходит за время Т1. Т1 – это время, требуемое для восстановления системой 63% равновесного значения после возбуждения ее 90° – импульсом. Т1 зависит от типа ядра (практически работа идет с ядрами водорода), резонансной частоты (в значительно большей степени, чем Т2), температуры, микровязкости, наличия крупных молекул, например, белков, сокращающих релаксационные времена, парамагнитных ионов и свободных радикалов. Парамагнитные ионы (Mn2+, Cu2+, Fe2+, Co3+), свободные радикалы, а также молекулярный кислород поглощает энергию и сокращают релаксационные времена. Т1 той же ткани всегда существенно больше чем Т2.
Каждой ткани присущи свои релаксационные времена, следовательно, измеряя их, можно характеризовать эту ткань. На практике стараются получить МРТ изображение, возможно более зависимое только от одного из релаксационных времен. Их называют Т1- или Т2- взвешенными (зависимыми) соответственно. На Т1-взвешенных МРТ интенсивность сигнала от каждой ткани зависит от величины её релаксационного времени Т1. На Т2-взвешенных МРТ интенсивность сигнала от каждой ткани зависит от её релаксационного времени Т2.
Физические основы МРТ служат для получения МРТ изображения. При МРТ в СПб в чаще используется поле 1,5 Тл. Открытый МРТ обладает гораздо более слабым полем, но имеет свои достоинства.
Если вы хотите получить углубленные знания по физико-техническим основам МРТ, то их можно подчерпнуть здесь:
Эверт Блинк. МРТ: физика
Терстен Меллер , Эмиль Райф Укладки и режимы при магнитно-резонансной томографии
Организм человека примерно на 4/5 состоит из воды, около 90% вещества составляет водород — 1Н. Атом водорода является простейшей структурой. В центре есть положительно заряженная частица — протон, а на периферии — значительно меньшая по массе: электрон.
Постоянно вращается вокруг ядра (протона) только электрон, но одновременно с этим происходит вращение протона. Он вращается примерно как волчок вокруг собственной оси, и одновременно его ось вращения описывает окружность, так что получается конус (см. рис. 5.1, а, б).
Частота вращения протона (прецессия) очень высока — примерно 40 МГц, т. е. за 1 с. он делает — около 40 млн оборотов. Частота вращения прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и называется частотой Лар-мора. Движение заряженной частицы формирует магнитное поле, вектор которого совпадает с направлением конуса вращения. Таким образом, каждый протон можно представить в виде маленького магнита (спина), который имеет свое собственное магнитное поле и полюсы — северный и южный (рис. 5.1).
Протоны имеют самый высокий магнитный момент и, как отмечалось выше, самую большую концентрацию в организме. Вне сильного магнитного поля эти маленькие магниты (спины) ориентированы хаотично. Попадая под действие сильного магнитного поля, которое составляет основу магнитно-резонансной томографической установки, они выстраиваются вдоль основного магнитного вектора В0. Возникающая при этом продольная намагниченность спинов будет максимальной (см. рис. 5.2).
После этого подается мощный радиочастотный импульс определенной (резонансной) частоты, близкой к частоте Лармора. Он заставляет все протоны перестраиваться перпендикулярно (90°) основному магнитному вектору В0 и совершать синхронное вращение, вызывая собственно ядерный резонанс.
Продольная намагниченность становится равной нулю, но возникает поперечная намагниченность, так как все спины направлены перпендикулярно основному магнитному вектору В0 (см. рис. 5.2).
Рис. 5.1.Принцип ядерного магнитного резонанса: а — протоны вращаются (прецессируют) вокруг собственной оси с частотой примерно 40 млн оборотов в секунду; б — вращение происходит вокруг оси по типу «волчка»; в — движение заряженной частицы вызывает формирование магнитного поля, который
можно представить в виде вектора
Под влиянием основного магнитного вектора В0 спины постепенно возвращаются к исходному состоянию. Это процесс называется релаксацией.Поперечная намагниченность уменьшается, а продольная увеличивается (см. рис. 5.2).
Скорость этих процессов зависит от наличия химических связей; наличия или отсутствия кристаллической решетки; возможности свободной отдачи энергии с переходом электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень (для воды это макромолекулы в окружении); неоднородности магнитного поля.
Время, за которое величина основного вектора намагниченности вернется к 63% первоначального значения, называют временем Т1-релаксации, или спин-решетчатой релаксацией.
После подачи радиочастотного импульса все протоны вращаются синхронно (в одной фазе). Затем из-за небольшой неоднородности магнитного поля спины, вращаясь с разной частотой (частотой Лармора), начинают вращаться в разных фазах. Другая частота резонанса позволяет «привязать» тот или иной протон к конкретному месту в исследуемом объекте.
Время релаксации Т2 наступает приблизительно в момент начала рас-фазировки протонов, которая происходит из-за негомогенности внешнего магнитного поля и наличия локальных магнитных полей внутри исследуемых тканей, т. е. когда спины начинают вращаться в разных фазах. Время,
за которое вектор намагниченности уменьшится до 37% первичного значения, называют временем Т2-релаксации, или спин-спиновой релаксацией.
Рис. 5.2.Этапы МР-исследования: а — объект помещается в сильное магнитное поле. Все векторы направлены вдоль вектора В0; б — подается радиочастотный резонансный 90° сигнал. Спины направлены перпендикулярно вектору В0; в — после этого происходит возврат к первоначальному состоянию (возрастает продольная намагниченность) — Т1 релаксация; г — из-за негомогенности магнитного поля в зависимости от удаленности от центра магнита спины начинают вращаться с разной частотой — происходит расфазировка
Эти изменения намагниченности считываются многократно для каждой точки исследуемого объекта и в зависимости от начала измерения МР-сиг-нала, характерного для разных импульсных последовательностей, мы получаем Т2-взвешенные, Т1-взвешенные или протон-взвешенные изображения.
В МРТ радиочастотные импульсы могут подаваться в различных комбинациях. Эти комбинации называются импульсными последовательностями. Они позволяют добиваться различной контрастности мягкотканных структур и применять специальные методики исследования.
Т1-взвешенные изображения (Т1-ВИ)
На Т1-ВИ хорошо определяются анатомические структуры. Т2-взвешенные изображения (Т2-ВИ)
Т2-ВИ имеют ряд преимуществ перед Т1-ВИ. Их чувствительность к большому количеству патологических изменений выше. Иногда становятся видимыми патологические изменения, которые не могут быть установлены при использовании Т1-взвешенных последовательностей. Кроме того, визуализация патологических изменений более надежная, если имеется возможность сравнения контраста на Т1- и Т2-ВИ.
В биологических жидкостях, содержащих разные по размеру молекулы, внутренние магнитные поля значимо различаются. Эти различия приводят к тому,
что расфазировка спинов наступает быстрее, время Т2 короткое, и на Т2-ВИ спинномозговая жидкость, например, всегда выглядит ярко-белой. Жировая ткань на Т1- и Т2-ВИ дает гиперинтенсивный МР-сигнал, так как характеризуется коротким временем Т1 и Т2.
Более подробно основные физические принципы магнитно-резонансной томографии описаны в переведенном на русский язык учебнике под редакцией профессора Ринка (Rinck) Европейского общества магнитного резонанса в медицине.
Характер получаемого сигнала зависит от множества параметров: числа протонов на единицу плотности (протонная плотность); времени Т1 (спин-решетчатой релаксации); времени Т2 (спин-спиновой релаксации); диффузии в исследуемых тканях; наличия тока жидкости (например, кровотока); химического состава; применяемой импульсной последовательности; температуры объекта; силы химической связи.
Получаемый сигнал отражается в относительных единицах серой шкалы. По сравнению с рентгеновской плотностью (единицы Хаунсфилда — HU), которая отражает степень поглощения рентгеновского излучения тканями организма и является сопоставимым показателем, интенсивность МР-сиг-нала — величина непостоянная, так как зависит от перечисленных выше факторов. В связи с этим абсолютные величины интенсивности МР-сигна-ла не сравнивают. Интенсивность МР-сигнала служит лишь относительной оценкой для получения контраста между тканями организма.
Важным показателем в МРТ является соотношение сигнал/шум. Это соотношение показывает, насколько интенсивность МР-сигнала превышает уровень шума, неизбежный при любых измерениях. Чем это соотношение выше, тем лучше изображение.
Одним из главных преимуществ МРТ является возможность создания максимального контраста между зоной интереса, например опухолью, и окружающими здоровыми тканями. Применяя разные импульсные последовательности, можно добиться большей или меньшей контрастности изображения.
Таким образом, для разных патологических состояний можно подобрать такую импульсную последовательность, где контраст будет максимальным.
В зависимости от напряженности магнитного поля различают несколько типов томографов:
— до 0,1 Тл — сверхнизкопольный томограф;
— от 0,1 до 0,5 Тл — низкопольный;
— от 0,5 до 1 Тл — среднепольный;
— от 1 до 2 Тл — высокопольный;
— более 2 Тл — сверхвысокопольный.
В 2004 г. FDA (Federal Food and Drug Administration — Федеральным управлением по пищевым продуктам и лекарственным средствам, США) разрешены к использованию в клинической практике МР-томографы с напряженностью магнитного поля до 3 Тл включительно. Проводятся единичные работы на добровольцах на 7 Тл МР-томографах.
Для создания постоянного магнитного поля используют:
— постоянные магниты, которые построены из ферромагнитных материалов. Их основным недостатком является большой вес — несколько
десятков тонн при небольшой силе индукции — до 0,3 Тл. Отсутствие громоздкой системы охлаждения и потребления электричества для формирования магнитного поля являются достоинствами таких магнитов;
— электромагниты, или резистивные магниты, представляющие собой соленоид, по которому пропускают сильный электрический ток. Они требуют мощной системы охлаждения, потребляют много электроэнергии, но при этом можно добиться большой однородности поля; диапазон магнитного поля таких магнитов составляет от 0,3 до 0,7 Тл.
Сочетания резистивного и постоянного магнита дают так называемые гибридные магниты, в которых получаются более сильные, чем в постоянных магнитах, поля. Они дешевле сверхпроводящих, но уступают им по величине поля.
Наиболее распространены сверхпроводящие магниты, которые являются резистивными, но используют явление сверхпроводимости. При температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С, или °К), происходит резкое падение сопротивления, и, следовательно, можно использовать огромные значения силы тока для генерации магнитного поля. Основным недостатком таких магнитов являются громоздкие, дорогостоящие многоступенчатые системы охлаждения с применением сжиженных инертных газов (Не, N).
МР-система со сверхпроводящим магнитом включает следующие компоненты:
— сверхпроводящий электромагнит с многоконтурной системой охлаждения, снаружи окруженной активным сверхпроводящим экраном для минимизации воздействия магнитного поля рассеяния; хладагентом является жидкий гелий;
— стол для пациента, перемещаемый в отверстие магнита;
— МР-катушки для визуализации различных органов и систем, которые могут быть передающими, приемными и приемно-передающими;
— шкафы с электронной аппаратурой, система охлаждения, градиенты;
— компьютерную систему для управления, получения и хранения изображений, которая обеспечивает также интерфейс между компьютерной системой и пользователем;
— консоли управления;
— блок аварийной сигнализации;
— переговорное устройство;
— систему видеонаблюдения за пациентом (рис. 5.3). КОНТРАСТНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Для лучшего выявления патологических изменений (прежде всего опухолей) сигнал можно усилить путем внутривенного введения парамагнитного контрастного вещества, что будет проявляться усилением МР-сигнала от опухоли, например в зоне нарушения гематоэнцефалического барьера.
Контрастные вещества, используемые в МРТ, изменяют продолжительность Т1- и Т2-релаксации.
Наиболее часто в клинической практике применяют хелатные соединения редкоземельного металла гадолиния — гадовист, магневист, омнискан. Несколько неспаренных электронов и возможность свободной отдачи энергии с переходом электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень позволяют значительно снижать Т1- и Т2-релаксацию.
Рис. 5.3.Внешний вид высокопольного магнитно-резонансного томографа: 1) тоннель магнита; 2) стол пациента, который перемещается в тоннель (центр) магнита; 3) пульт управления столом, с системой центровки и позиционирования области исследования; 4) встроенные в стол радиочастотные катушки для исследования позвоночника; 5) основные радиочастотные катушки для исследования головного мозга; 6) наушники
для связи с пациентом
В некоторых нормальных структурах физиологическое распределение соединений гадолиния обычно ведет к усилению сигнала в Т1-ВИ. В полости черепа выделяются только те структуры, которые не имеют гема-тоэнцефалического барьера, например гипофиз, шишковидное тело, сосудистое сплетение желудочков мозга и определенные участки черепных нервов. Усиления не происходит в остальных частях центральной нервной системы, в спинномозговой жидкости, в стволе мозга, во внутреннем ухе и в глазницах, за исключением сосудистой оболочки глаз.
Особенно интенсивно контрастируются соединениями гадолиния патологические очаги с повышенной проницаемостью гематоэнцефалического барьера: опухоли, участки воспаления и повреждения белого вещества (рис. 5.4).
Контрастные вещества на основе гадолиния, оказывая влияние на Т1-ре-лаксацию, при выполнении МР-ангиографии улучшают визуализацию мелких артерий и вен, а также участков с турбулентным током.
Рис. 5.4.Опухоль головного мозга. Контрастное вещество накапливается в опухолевой ткани вследствие нарушения гематоэнцефалического барьера. На постконтрастных Т1-ВИ опухоль характеризуется выраженным гиперинтенсивным МР-сигналом (б) по сравнению
с преконтрастным изображением (а)
Date: 2015-08-06; view: 2062; Нарушение авторских прав