Magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI) - darbības princips

1973. gadā amerikāņu ķīmiķis Pols Lauterburs publicēja rakstu žurnālā Nature ar nosaukumu “Attēla izveidošana, izmantojot inducētu vietējo mijiedarbību; piemēri, kuru pamatā ir magnētiskā rezonanse. " Vēlāk britu fiziķis Pīters Mansfīlds piedāvās modernāku matemātisko modeli visa organisma attēla iegūšanai, un 2003. gadā pētnieki saņems Nobela prēmiju par MRI metodes atklāšanu medicīnā.

Nozīmīgu ieguldījumu mūsdienu magnētiskās rezonanses attēlveidošanā sniegs amerikāņu zinātnieks Raimonds Damadjans, pirmā komerciālā MRI aparāta tēvs un 1971. gadā publicētā darba “Audzēja noteikšana, izmantojot kodolmagnētisko rezonansi” autors.

Bet, godīgi sakot, ir vērts atzīmēt, ka ilgi pirms Rietumu pētniekiem, 1960. gadā, padomju zinātnieks Vladislavs Ivanovs jau detalizēti izklāstīja MRT principus, tomēr autorības sertifikātu viņš saņēma tikai 1984. gadā ... Atstāsim debates par autorību un beidzot apsvērsim vispārīgo ieskicēt magnētiskās rezonanses uztvērēja darbības principu.

Mūsu organismos ir ļoti daudz ūdeņraža atomu, un katra ūdeņraža atoma kodols ir viens protons, kuru var attēlot kā mazu magnētu, kas pastāv, pateicoties tam, ka protonā ir spuldze, kas nav nulle. Fakts, ka ūdeņraža atoma (protona) kodolā ir spin, nozīmē, ka tas griežas ap savu asi. Ir arī zināms, ka ūdeņraža kodolam ir pozitīvs elektriskais lādiņš, un lādiņš, kas rotē kopā ar kodola ārējo virsmu, ir kā maza spole ar strāvu. Izrādās, ka katrs ūdeņraža atoma kodols ir miniatūrs magnētiskā lauka avots.

Ja tagad daudzi ūdeņraža atomu kodoli (protoni) ir ievietoti ārējā magnētiskajā laukā, tad viņi sāks mēģināt pārvietoties pa šo magnētisko lauku tāpat kā kompasu bultiņas. Tomēr šādas pārorientācijas laikā kodoli sāks precesēt (jo, mēģinot to noliekt, pretstatās žiroskopa ass), jo katra kodola magnētiskais moments ir saistīts ar kodola mehānisko momentu, ar iepriekšminētā spininga klātbūtni.

Pieņemsim, ka ūdeņraža serde tika ievietota ārējā magnētiskajā laukā ar indukciju 1 T. Precesijas frekvence šajā gadījumā būs 42,58 MHz (tā ir tā saucamā Larmora frekvence dotajam kodolam un noteiktā magnētiskā lauka indukcijai). Un, ja tagad mums būs papildu ietekme uz šo kodolu ar elektromagnētisko viļņu ar frekvenci 42,58 MHz, notiks kodolmagnētiskās rezonanses parādība, tas ir, palielināsies precesijas amplitūda, jo galvenā kodola pilnīgas magnetizācijas vektors kļūs lielāks.

Un ir viens miljards miljardu šādu kodolu, kas var radīt un radīt rezonansi. Bet, tā kā visu ūdeņraža un citu mūsu ķermeņa kodolu magnētiskie momenti mijiedarbojas savā starpā ikdienas dzīvē, visa ķermeņa kopējais magnētiskais moments ir nulle.

Iedarbojoties uz protoniem, izmantojot radioviļņus, viņi iegūst šo protonu svārstību rezonanses pastiprinājumu (precesiju amplitūdas palielināšanos), un pēc ārējās darbības pabeigšanas protoniem ir tendence atgriezties sākotnējā līdzsvara stāvoklī, un pēc tam viņi paši izstaro radioviļņu fotonus.

Tādējādi MRI ierīcē personas ķermenis (vai kāds cits pētāmais ķermenis vai objekts) periodiski tiek pārveidots par radiouztvērēju komplektu vai radioraidītāju komplektu. Šādā veidā izpētot vietu pēc ķermeņa apgabala, aparāts veido telpisko attēlu par ūdeņraža atomu sadalījumu ķermenī.Un jo augstāks ir tomogrāfa magnētiskā lauka stiprums - jo vairāk ūdeņraža atomu, kas piesaistīti citiem atomiem, kas atrodas netālu, var izpētīt (jo augstāka ir magnētiskās rezonanses attēla izšķirtspēja).

Mūsdienu medicīniskie tomogrāfi kā ārēja magnētiskā lauka avoti satur supravadoši elektromagnētiatdzesē ar šķidru hēliju. Daži no atklātā tipa tomogrāfiem tiek izmantoti pastāvīgie neodīma magnēti.

Optimālā magnētiskā lauka indukcija MRI mašīnā tagad ir 1,5 T, tas ļauj iegūt diezgan augstas kvalitātes daudzu ķermeņa daļu attēlus. Ar indukciju, kas mazāka par 1 T, nebūs iespējams izgatavot augstas kvalitātes (pietiekami augstas izšķirtspējas) attēlu, piemēram, no mazā iegurņa vai vēdera dobuma, taču šādi vāji lauki ir piemēroti parasto galvas un locītavu MRI attēlu iegūšanai.

Pareizai telpiskajai orientācijai papildus nemainīgam magnētiskajam laukam magnētiskajā spolē tiek izmantotas arī gradienta spoles, kas rada papildu gradienta traucējumus vienveidīgā magnētiskajā laukā. Rezultātā visspēcīgākais rezonējošais signāls tiek precīzāk lokalizēts vienā vai otrā sadaļā. Gradientu spoļu jaudas un darbības parametri - nozīmīgākie MRI rādītāji - tomogrāfa izšķirtspēja un ātrums ir atkarīgs no tiem.