Магнитно-резонансная томография (МРТ): принцип работы и основные элементы

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее динамично развивающихся методов лучевой диагностики. Важнейшим преимуществом МРТ по сравнению с другими диагностическими методами является отсутствие ионизирующего излучения и, как следствие, полное исключение эффектов канцерои мутагенеза. МРТ обладает высокой мягко-тканной контрастностью и позволяет проводить исследование в любых плоскостях с учетом анатомических особенностей тела пациента, а при необходимости — получать трехмерные изображения для точной оценки распространенности патологического процесса. Более того, МРТ является единственным методом неинвазивной диагностики, обладающим высокой чувствительностью и специфичностью при выявлении отека и инфильтрации костной ткани. Развитие МР-спектроскопии и диффузионной МРТ, а также создание новых органотропных контрастных препаратов является основой развития «молекулярной визуализации» и позволяет проводить гистохимические исследовании in vivo.

Человеческое тело состоит приблизительно на 70% из воды. Протоны водорода входящие в состав воды похожи на маленькие магниты и в норме расположены хаотически.

При размещении тела в магнитном поле часть этих «магнитов» (протонов водорода) выстраивается вдоль вектора магнитного поля. Ученые рассчитали, что если подавать радиосигналы с определенной частотой, то протоны водорода приходят в резонансное движение (начинают одновременно вращаться вокруг собственной оси в разных плоскостях), а при возвращении в прежнее состояние испускают радио волны, которые можно принять специальными антеннами (катушками).

Такие процессы происходят и в обычной жизни. Тело человека непрерывно излучает радио волны, находясь в постоянном магнитном поле земли, и в принципе МРТ исследование можно было бы делать без использования дорогостоящей аппаратуры, но «шумы» (помехи) от различных излучателей, которые окружают нас в обыденной жизни, не позволяют этого сделать, а магнитное поле земли слишком мало для качественного выполнения исследования.

Поэтому для проведения исследования пациента изолируют от всех остальных источников радиосигналов, чтобы максимально ослабить влияние помех. Его помещают в мощное, но безвредное для человека магнитное поле. Затем, используя очень чувствительные антенны радиосигнал принимают, обрабатывают сверхскоростным компьютером и получают изображение. Оно отражает распределение радиосигналов клеток человеческого тела в различных плоскостях и соотношениях. Такое изображение в медицине принято называть томограммой.

Отсюда становится ясно, для каких органов предпочтительнее МРТ исследование, а именно для органов, где больше всего воды: головной мозг, спинной мозг, мягкотканые структуры позвоночника (диски, связки, нервные корешки, межпозвоночные суставы), крупные суставы (коленный, плечевой, височно-нижнечелюстной и т. д.).

Нормальные клетки органов и тканей, не пораженных болезненным процессом, имеют один уровень сигнала. «Больные» клетки — это всегда другой, измененный сигнал в той или иной степени. На изображении измененные патологическим процессом участки тканей и органов выглядят иначе, чем здоровые. Это и есть основа МРТ-диагностики, главная задача которой заключается в получении максимально информативного изображения быстро и качественно, с комфортом для пациента.

Первые томографы имели индукцию магнитного поля 0,005 Тл, однако качество изображений, полученных на них, было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как электромагниты (до 9,4 Тл), так и постоянные магниты (до 0,7 Тл). При этом, так как поле должно быть весьма сильным, применяются сверхпроводящие электромагниты, работающие в жидком гелии, а постоянные магниты пригодны только очень мощные, неодимовые. Магнитно-резонансный «отклик» тканей в МР-томографах на постоянных магнитах слабее, чем у электромагнитных, поэтому область применения постоянных магнитов ограничена. Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо постоянного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. Мощность и скорость действия градиентных усилителей относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От них во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум [1].

Проведение в целях достоверной диагностики МРТ с напряженностью магнитного поля 1.5 Тесла — принятый международный стандарт. В современных европейских клиниках функционируют исключительно томографы 1.5 — 3.0 Тесла, которые позволяют проводить наиболее широкий спектр исследований всех областей тела человека, включающий функциональные исследования, ангиографию. Детальное изображение, полученное путем МРТ, позволяет врачам выявлять мельчайшие признаки заболевания. С помощью МРТ 1.5 Тесла можно получить изображение практически всех тканей тела, проводить исследование в любых плоскостях, а при необходимости — получать трехмерные изображения для точной оценки взаиморасположения различных структур.

Так как метод магнитно-резонансной томографии не несет лучевой нагрузки, он является абсолютно безвредным для организма человека и дает возможность повторять исследования настолько часто, насколько требуется в каждой конкретной ситуации. При сканировании большинства областей тела голова пациента находится вне магнита. Никаких болевых ощущений пациент при исследовании не испытывает [2].

Любой МРТ томограф состоит из:

основного магнита;

магнитных градиентов;

генератора (передатчика) радиоимпульсов;

приемника радиоимпульсов;

систем сбора и обработки данных;

систем энергоснабжения и охлаждения.

Принципиальная схема и типы МРТ томографа.

Сигнал в приемной катушке (т.е. качество и быстрота получения изображения на томограммах) в значительной степени зависит от магнитной индукции (силы магнита).

Было предложено классифицировать все ЯМР томографы по силе создаваемого магнитного поля.

Существует 5 типов МРТ аппаратов:

ультранизкие томографы — ниже 0,1 Тл;

низкие томографы — от 0,1 до 0,5 Тл;

средние томографы — от 0,5 до 1 Тл;

высокие томографы — от 1 до 2 Тл;

ультравысокие томографы — свыше 2 Тл.

Типы МРТ аппаратов по виду используемых магнитов:

Магнит в ЯМР томографе может быть постоянным, резистивным электрическим и сверхпроводящим электрическим.

Постоянные магниты в МРТ аппаратах изготавливают из ферромагнитных сплавов.

Ориентация магнитного поля обычно вертикальная. Магниты ЯМР томографов не требуют затрат электроэнергии и охлаждения.

Величина индукции магнитного поля находится в пределах 0,2— 0,3 Тл.

Интерес к постоянным магнитам в последнее время сильно возрос. Это связано с тем, что постоянные магниты томографов легко конфигурируются по МРТ открытого типа, т. е. обеспечивают доступ к больному и уменьшают клаустрофобию.

Резистивный электромагнит томографа представляет собой соленоид из медной или железной проволоки. Охлаждается водой.

Создаваемые МРТ аппаратом магнитные поля лежат в пределах 0,2—0,4 Тл, ориентация поля — вдоль отверстия соленоида.

Все современные резистивные электромагниты делают открытыми для применения в открытых МРТ аппаратах. Интерес к ним в последнее время падает, так как содержание ЯМР томографов на их основе дороже, чем на магнитах постоянного типа.

Сверхпроводящие электромагниты в ЯМР томографах представляют собой соленоид из ниобий-титанового сплава, который при охлаждении жидким гелием до -269°С (4 К) не имеет электрического сопротивления. Создаваемые МРТ аппаратом магнитные поля находятся в пределах от 0,35 до 4 Тл.

Поле высокой напряженности, очевидно, служит большим достоинством сверхпроводящих магнитов. В последние годы удалось сконструировать открытые сверхпроводящие магниты для открытых МРТ аппаратов.

Недостатком сверхпроводящих магнитов, используемых в ЯМР томографах, помимо высокой стоимости, является необходимость охлаждения жидким гелием [3].

Компьютер в магнитно-резонансном томографе выполняет многие функции:

управление системой;

быстрое преобразование Фурье;

обработку изображения;

получения томограмм (снимков МРТ) [4].

Метод магнитно-резонансной томографии МРТ создает возможность визуализировать на экране дисплея, а затем и на рентгеновской пленке срезы черепа и головного мозга, позвоночного столба и спинного мозга. Информация позволяет дифференцировать серое и белое вещество мозга, судить о состоянии его желудочковой системы, субарахноидального пространства, выявлять многие формы патологии, в частности объемные процессы в мозге, зоны демиелинизации, очаги воспаления и отека, гидроцефалию, травматические поражения, гематомы, абсцессы, очаги проявления нарушений мозгового кровообращения по ишемическому и геморрагическому типу, кстати, ишемические очаги в мозге могут быть выявлены в гиподенсивной форме уже через 2—4 ч после инсульта.

Немаловажным преимуществом магнитно-резонансной томографии МРТ перед КТ является возможность получения изображения в любой проекции: аксиальной, фронтальной, сагиттальной. Это позволяет визуализировать позвоночный канал, выявить невриному слухового нерва в полости внутреннего слухового прохода, опухоль гипофиза, субдуральную гематому в подостром периоде, даже в тех случаях, когда на КТ она не визуализируется.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) стала основным методом выявления некоторых форм аномалий: аномалии мозолистого тела, аномалии Арнольда—Киари, очаги демиелинизации в паравентрикулярном и других отделах белого вещества мозга при рассеянном склерозе.

На магнитно-резонансной томографии (МРТ) раньше, чем на компьютерной томографии (КТ), выявляются очаги ишемии мозга, при этом их можно выявить в стволе мозга, в мозжечке, в височной доле.

Важная роль отводится магнитно-резонансной томографии (МРТ) при выяснении причин деменции (приобретённое слабоумие). В то же время изменения мозговой ткани зачастую неспецифичны и подчас сложно дифференцировать, например, очаги ишемии и демиелинизации.

Ценная информация выявляется на MP-томограммах позвоночника, особенно на сагиттальных срезах. При этом визуализируются структурные проявления остеохондроза, в частности состояние позвонков и связочного аппарата, межпозвонковых дисков, их пролабирование и воздействие на твердую мозговую оболочку, спинной мозг, конский хвост, визуализируются также внутрипозвоночные новообразования, проявления гидромиелии, гематомиелии и многие другие патологические процессы.

Диагностический потенциал магнитно-резонансной томографии (МРТ) можно повысить предварительным введением некоторых контрастных веществ. В качестве вводимого в кровяное русло контрастного вещества обычно применяется элемент из группы редкоземельных металлов — гадолиний, обладающий свойствами парамагнетика, вводится внутривенно.

Преимущество магнитно-резонансной томографии (МРТ) перед компьютерной томографией (КТ) наиболее очевидно при исследовании тех отделов нервной системы, изображение которых нельзя получить с помощью КТ из-за перекрытия исследуемой мозговой ткани прилежащими костными структурами. Кроме того, при магнитно-резонансной томографии (МРТ) можно различать недоступные КТ изменения плотности ткани мозга, белое и серое вещество, выявлять поражение ткани мозга при рассеянном склерозе и пр.

При магнитно-резонансной томографии (МРТ) больной не подвергается ионизирующему облучению. Вместе с тем для применения магнитно-резонансной томографии (МРТ) есть некоторые ограничения. Так, магнитно-резонансная томография (МРТ) противопоказана при наличии в полости черепа металлических инородных тел, так как существует опасность их смещения под действием магнитного поля и, следовательно, дополнительного повреждения близлежащих структур головного мозга. Противопоказана магнитно-резонансная томография (МРТ) при наличии у больных наружного водителя ритма, беременности, выраженной клаустрофобии (боязни пребывания в тесном помещении). Осложняет применение МРТ-обследования его длительность (30—60 мин), в течении которого пациент должен находиться в неподвижном состоянии.