Доклад на тему: "Обзор МРТ-сканеров"

В данной работе будут рассматриваться МРТ - сканеры, рассмотрим устройство и характеристики отдельно взятых моделей. МРТ (магнитно-резонансная томография) - метод получения послойного изображения органов и тканей организма с помощью феномена ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Магнитно-резонансная томография является одним из наиболее информативных и безопасных методов исследования пациентов. Поэтому для всех крупных клиник, диспансеров и медицинских центров является важным наличие мощного МРТ сканера. Основной функцией является то, что врач получает возможность не только исследовать структурные и патологические изменения, но и оценить физико-химические, патофизиологические процессы всего обследуемого органа или его отдельной структуры, проводить функциональные исследования и т.д.В сочетании с превосходным контрастным разрешением изображения, МРТ безопасна для человека, в пределах разумного естественно, за счет использования радиоволн и магнитного поля, в отличие от рентгеновских и КТ исследований, применяющих рентгеновское излучение.История метода магниторезонансной томографииУ метода МР - томографии не было определенной даты основания. Скорее историю развития метода можно охарактеризовать долгим периодом накопления знаний благодаря работам многих исследователей, физиков и математиков, что позволило в конце 20 в. применить явление ядерного магнитного резонанса в диагностической визуализации.МРТ не возникла бы как важнейший инструмент медицинской диагностики без работ Жана Батиста Жозефа Фурье, который еще вначале 19 в. описал преобразование Фурье - математическую основу получения МР-томограмм.В 1946 г. двое ученых - Феликс Блох и Эдвард М. Пурселл независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса, благодаря чему в 1952 г. им была присуждена Нобелевская премия по физике. Они установили, что ядро ведет себя подобно магниту, а заряженная частица, такая как протон, вращающаяся вокруг собственной оси, имеет магнитное поле, известное как магнитный момент ядра. Открытие было сведено им в уравнение, названное уравнением Блоха. Теоретические исследования были подтверждены экспериментально в начале 1950-х годов. В 1960 году были разработаны спектрометры ядерно-магнитного резонанса для аналитических целей. На протяжении 1960 и 1970 годов ЯМР спектрометры широко использовались в академических и индустриальных исследованиях.Предпосылками открытия ЯМР явились работы многих других исследователей, занимающихся физикой магнитного ядерного резонанса в первой половине 20в. В 1924 г. Вольфганг Паули предположил наличие спина ядра. В 1025 г. Джордж Уленбек и Самуэль Гаудсмит ввели понятие «спин электрона». В 1926 г. Паули и Чарльз Гальтон Дарвин обосновали новое понятие с позиций теории квантовой механики. В 1933 г. Отто Штерн и Вальтер Герлах обнаружили возможность измерения спина ядра. Измерением спина ядра в эти же годы успешно занимался Исаак Раби, который благодаря сотрудничеству с Корнелиусом Якобом Гортера в 1938 опубликовал статью «Новый метод измерения ядерного магнитного момента». В 1942 г. вышла статья Гортера, в которой ученый за авторством Раби упоминает термин «ядерный магнитный резонанс». К сожалению, Вторая мировая война внесла свои коррективы в ход научных исследований, в том числе в области физики ЯМР: во многих странах они были сильно сокращены или вовсе на время приостановлены.В послевоенные годы прелагались усилия по использованию эффекта ядерного магнитного резонанса в различных областях науки и техники. Такая работа велась и по изучению возможностей использования этого физического феномена в медицине. В 1955 г. Эрик Одеблад и Гуннар Линдстром впервые зарегистрировали ядерный магнитный резонанс in vivo в тканях животных. В 1956 г. Олег Жардецкий исследовал ЯМР по натрию крови, эритроцитов, плазмы. В 1965 г. Браттон измерил времена релаксации Т1 и Т2 скелетной мышцы живой лягушки. В 1967 г. Лигон измерил ЯМР воды в руке живого человека. В 1968 г. Джексон и Ланхам получили ЯМР-сигнала от живого животного. В конце 1960-ых годов многие ученые занимались изучением времен релаксации различных живых тканей, среди таких исследователей наибольшее значение имели работы американских специалистов - Хатчинсона, Хазлвуда, Кука, Виена, Хансена, Реймонда, Хопкинса, Дамадиана. В 60-ые годы также обсуждались возможности использования метода для измерения скорости кровотока в сосудах.Тем не менее все эксперименты, о которых шла речь выше, не позволяли пространственно локализовать регистрируемый МР-сигнал от ядер исследуемой ткани. В то же время, в рентгенологии к этому времени начали использовать томографический метод получения изображений (т.е. неразрушающую послойную визуализацию органов и тканей). Поэтому уже в 1971 г. Полом Лаутербургом для реализации возможности получения МР-томограмм, используя феномен ЯМР, было предложено использовать метод реконструкции изображений по обратным проекциям (как в методе компьютерной томографии) и градиентные магнитные поля в 3-х проекциях. В 1973 г. Лаутербург опубликовал изображения пробирок с водой, а в 1974 г. - грудной клетки мыши. Именно открытие Лаутербурга совершило революцию в использовании ЯМР в медицинской диагностике, поскольку оно обозначило принцип построения изображений. Используя достижения Лаутербурга, Ричард Эрнс в 1975 г. предложил вместо метода реконструкций по обратным проекциям при построении МР-томограмм использовать переключение градиентных магнитных полей во времени. Это был блестящий прорыв в технологии получения диагностических изображений, открытие принципа, который используется в МР-томографах и в настоящее время. В 1991 году Ричард Эрнст был удостоен Нобелевской премии по химии за достижения в области импульсных ЯМР и МРТ.В 1973 г. Петер Мэнсфилд представили одномерную интеферограмму с разрешением менее 1 мм, а через год совместно с Аланом Гаровейем получил патент на построение изображений с помощью ЯМР. В 1975 г. Мэнсфилд и Эндрю А. Маудсли впервые получили изображения человека in vivo.В 1977 г. Хиншау, Пол Боттомли и Нейл Холланд получили изображения запястья, Дамадин - грудной клетки человека, Хью Клау и Ян Р. Янг - томограммы грудной и брюшной полостей человека. В 1979 г. Виллиам Мур представили корональные и сагиттальные томограммы человеческого головного мозга. Джим Хутчисон и Билл Эдельштейн разработали спин-пакетный метод.В 80-ые годы шла усиленная работа над совершенствованием метода МР-томографии. В 1981 г. Роджер Ордидж создал серию движущихся МР-изображений в режиме кино-петли. В 1982 г. Роберт Н. Мюллер разработал методику «переноса намагниченности», в 1986 г. была разработана последовательность RARE («быстрое спин-эхо»), а также последовательность FLASH, позволившая в дальнейшем разрабатывать градиентные последовательности.Первые томографы для исследования тела человека появились в клиниках в 1980-1981 годах, а сегодня томография стала целой областью медицины.Также несколько слов необходимо создать о разработке МР-контрастных препаратов. Возможность создания таких веществ обсуждалась американскими специалистами - Марией Еленой Мендонцей-Диас, полом С. Лаутербургом, Робертом Браншем, Геральдом Вольфом, а коммерческое производство началось в Европе фирмой Шеринг, получившей патент на Gd-DTPA. В 1984 г. Денис Х. Капп и Вольфганг Шернер опубликовали МР-томограммы с контрастным усилением. В 1988 г. Магневист был разрешен к применению. В 1991 г. компанией Никомед был разработан препарат Омнискан.В 2003 году американским ученым Питеру Мэнсфилду и Полу Лаутербуру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за изобретение исследования в области МРТ.Физические основы МРТМРТ (магнитно-резонансная томография) - метод получения послойного изображения органов и тканей организма с помощью феномена ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).Физические принципы, лежащие в основе МР-томографии, достаточно сложны. Если систему, находящуюся в постоянном магнитном поле, облучить внешним переменным электромагнитным полем, частота которого точно равна частоте перехода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в вышележащие по энергии квантовые состояния. Иначе говоря, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энергии электромагнитного поля. При прекращении воздействия переменного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энергии.Магнитно-резонансное исследование опирается на способность ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи.Этим свойством обладают ядра, которые содержат нечетное число нуклонов, в частности H, С, F и P. Эти ядра отличаются ненулевым спином и соответствующим ему магнитным моментом.Современные МР-томографы «настроены» на ядра водорода, т.е. на протоны (ядро водорода состоит из одного протона). Протон находится в постоянном вращении. Следовательно, вокруг него тоже имеется магнитное поле, которое имеет магнитный момент или спин. При помещении, вращающегося протона в магнитное поле возникает прецессирование протона (нечто вроде вращения волчка) вокруг оси, направленной вдоль силовых линий приложенного магнитного поля. Частота прецессирования, называемая также резонансной частотой, зависит от силы статического магнитного поля. Например, в магнитном поле напряженностью 1 Тл (тесла) резонансная частота протона равна 42,57 МГц.Расположение прецессирующего протона в магнитном поле может быть двояким: по направлению поля и против него. В последнем случае протон обладает большей энергией, чем в первом. Протон может менять свое положение: из ориентации магнитного момента по полю переходить в ориентацию против поля, т.е. с нижнего энергетического уровня на более высокий.Обычно дополнительное радиочастотное поле прикладывается в виде импульса, причем в двух вариантах: более короткого, который поворачивает протон на 90°, и более продолжительного, поворачивающего протон на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение (говорят, что наступает его релаксация), что сопровождается излучением порции энергии. Время релаксации протона строго постоянно. При этом различают два времени релаксации: T1 - время релаксации после 180° радиочастотного импульса и Т2 - время релаксации после 90° радиочастотного импульса. Как правило, показатель T1 больше Т2.С помощью специальных приборов можно зарегистрировать сигналы (резонансное излучение) от релаксирующих протонов, и на их анализе построить представление об исследуемом объекте. Магнитно-резонансными характеристиками объекта служат 3 параметра: плотность протонов, T1 и Т2. T1 называют спин-решетчатой, или продольной, релаксацией, а Т2 - спин-спиновой, или поперечной, релаксацией. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов или, что то же самое, концентрацию элемента в исследуемой среде. Что же касается времени T1 и Т2 то они зависят от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.).Следует дать два пояснения. Несмотря на то, что метод основан на явлении ЯМР, его называют магнитно-резонансным (МР), опуская «ядерно». Это сделано для того, чтобы у пользователей не возникало мысли о радиоактивности, связанной с распадом ядер атомов. И второе обстоятельство: МР-томографы не случайно «настроены» именно на протоны, т.е. на ядра водорода. Этого элемента в тканях очень много, а ядра его обладают наибольшим магнитным моментом среди всех атомных ядер, что обусловливает достаточно высокий уровень МР-сигнала.Медико-биологическое обоснованиеДля проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное в пространстве (в идеальном случае) магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность.В ЯМР томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород 1 Н, 2 Н, углерод 13 С, азот 14 N, фтор 19 F, натрий 23 Na, фосфор 31 Р. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода 1 Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному со держанию в биологических тканях.Под воздействием сильного магнитного поля спины протонов ядер водорода изменяют свое положение и располагаются вдоль оси магнитного поля (рисунок 1). Воздействие магнитного поля и радиочастотного излучения на протоны не постоянно, с заданными силой, частотой и временем, а протоны после воздействия на них радиочастотного сигнала вновь возвращаются в исходное положение – так называемое «время релаксации» (T1 и T2 ).Рисунок 1 – Распределение ядер при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего магнитного поляВоздействие магнитного поля и радиочастотного импульса на протоны ядер водорода заставляет их вращаться относительно новых осей в течение очень короткого периода времени, что сопровождается выделением и поглощением энергии, формированием своего магнитного поля. Регистрация этих энергетических изменений и является основой МРТ-изображения. Способность подобного смещения зависит от гидрофильности тканей, их химического состава и структуры. 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 медицинского диагностического изображения. Главная задача данной аппаратуры заключается в получении максимально информативного изображения быстро и качественно, а также безопасно для пациента.Чтобы добиться уменьшения времени реконструкции изображения нужно увеличивать индукцию главного магнита. Это объясняется возможностью применения при большой индукции «быстрых» последовательностей, например, последовательности «градиентное эхо» и малоугловых. Также при индукции свыше 1,5 Тл появляется возможность кроме ядер водорода (протонов) включить в сбор данных об организме тяжелые ядра натрия и фосфора, которые несут очень важную информацию о метаболизме. При более низкой индукции магнитный резонанс ядер этих атомов невозможен.Установлено, что если индукция будет равна 0,12 Тл, то частота ЯМР для протонов составит 5 МГц. Эти частоты лежат в диапазоне коротких радиоволн, которые считаются безвредными. И только в очень сильных магнитных полях (до 3 Тл) частота ЯМР может быть достаточно большой – 120 МГц. Это нужно учитывать при разработке современных МРТ.Для примера рассмотрим таблицу 1, по которой можно проследить какая нужна напряженность магнитного поля для построения изображения некоторых тканей головного и спинного мозга.Таблица 1 – Значения индукции магнитного поляТкань мозгаИндукция магнитного поля B0 ТлСерое вещество0,5-1,0Белое вещество1,0-1,5Ликвор1,0-1,5Жир0,5-1,0Кровь1,5Рассмотрим некоторые подострые опасности при проведении МРТ.В экспериментах было установлено, что с порога напряженности в 4 Тл у лиц наблюдалась некоторая задержка нервной проводимости, теоретически было предсказано, что с уровня в 6 Тл растет кровяное давление. У людей, помещенных в однородное постоя нное магнитное поле, был отмечен рост амплитуды ЭКГ в зависимости от вели чины поля. Этот рост становился заметным при 0.3 Тл; при 2.0 Тл амплитуда возрастала в среднем на 400%. Полагают, что изменения ЭКГ не могут быть ассоциированы с каким-либо биологическим риском. Основным результатом взаимодействия РЧ полей с тканями является нагрев последних. Но пока даже в сильных магнитных полях не было достигнуто локального увеличения температуры более, чем на 1 градус. Несмотря на то, что пока не было выявлено никаких чрезмерно опасных воздействий на живой объект МР исследования, необходимо и дальше проводить исследования в этой области, и предельно аккуратно подходить к повышению напряжённости поля в современных томографах.Обзор МРТ-сканеровСуществует множество производителей МРТ, они отличаются характеристиками и ценой оборудования. Рассмотрим некоторые примеры:МРТ-сканеры компании GE. Мощными новинками компании GE среди 3-Тесловых МРТ сканеров с широкой апертурой гентри в 70 см является Discovery MR750w 3.0T и SIGNA Pioneer 3.0T. Много технологических инноваций соединил в себе Discovery MR750w 3.0T, в их числе MultiDrive RF Transmit, Optical RF, а также удобное и информативное поле обзора в 50 см, высокопроизводительные градиентные катушки, которые оснащены системой воздушного и жидкостного охлаждения. Они были разработаны с заботой  о пациенте и обеспечивают комфорт в использовании, высокую производительность и абсолютную универсальность. Другим отличным вариантом является SIGNA Pioneer 3.0T, который впервые в истории отрасли дает возможность сочетания в одном скане МРТ множественных контрастных изображений, включая в себя такие режимы исследования головного мозга, как T1, T2, Inversion Recovery (например, DIR., PSIR, FLAIR и т.д.). Производители уверяют, что SIGNA Pioneer 3.0T, сочетает в себе низкую стоимость на размещение, поскольку занимает на 25% меньше  площади по сравнению с другими 3-тесловыми сканерами и низкую стоимость на эксплуатацию, поскольку благодаря инновационной технологии ультра-высокой эффективности градиента SIGNA Pioneer предназначен для использования примерно на 50% меньше энергии по сравнению с обычными конструкциями 3.0T.Можно отметить, что первоначальные затраты на оборудование производителя GE были всегда выше, чем у других, однако последующие расходы на обслуживание будут значительно ниже. Рисунок 2 – Пример МРТ сканеров от компании GEМРТ-сканеры компании Siemens. Компания Siemens имеет широкий выбор МРТ сканеров, начиная от 0.35 Т до 7 Т., а каждое следующее поколение совершенствуется новыми технологиями и возможностями. Эти технологии объединили в себе такие популярные модели как Magnetom Avanto 1.5T, Magnetom Amira 1.5T и Magnetom Aera 1.5T. А также мощные 3-Тесловые  сканеры, такие как Magnetom Spectra 3T, Magnetom Trio 3T и новинка Magnetom Vida 3T.Рассмотрим MAGNETOM Trio 3Т, который благодаря своей Tim System предлагает богатый набор передовых приложений для решения сложных клинических и исследовательских задач. Tim System предоставляет вам гибкость (до 102 элементов катушек могут быть объединены с 32 радиочастотными каналами, чтобы создать одну тотальную матрицу изображений - Tim (Total imaging matrix)), точность - от малой  FOV к целому изображению тела в 181 см с высоким разрешением,  и скорость - полный iPAT всего тела без изменения положения пациента. Среди 1.5-Тесловых МРТ, инновационным шагом вперед является Magnetom Aera 1.5T (по сравнению с Magnetom Espree 1.5T, который также имеет апертуру гентри 70 см). Он получил высокую оценку экспертов, однако его трудно найти на вторичном рынке. Хорошей альтернативой может быть Avanto 1.5T, хотя он и не имеет такой широкой апертуры гентри, однако имеет аналогичный интерфейс, а  также поле обзора. Также невозможно не вспомнить, что в отличие от Philips, компания Siemens устанавливает в свои сканеры "технологию нулевого выкипания гелия", которая является чрезвычайно эффективной и обеспечивает небольшой расход гелия.Рисунок 3 – Пример МРТ сканеров от компании SiemensМРТ-сканеры компании Philips. Компания Siemens имеет широкий выбор МРТ сканеров, начиная от 0.35 Т до 7 Т., а каждое следующее поколение совершенствуется новыми технологиями и возможностями. Эти технологии объединили в себе такие популярные модели как Magnetom Avanto 1.5T, Magnetom Amira 1.5T и Magnetom Aera 1.5T. А также мощные 3-Тесловые  сканеры, такие как Magnetom Spectra 3T, Magnetom Trio 3T и новинка Magnetom Vida 3T.Рассмотрим MAGNETOM Trio 3Т, который благодаря своей Tim System предлагает богатый набор передовых приложений для решения сложных клинических и исследовательских задач. Tim System предоставляет вам гибкость (до 102 элементов катушек могут быть объединены с 32 радиочастотными каналами, чтобы создать одну тотальную матрицу изображений - Tim (Total imaging matrix)), точность - от малой  FOV к целому изображению тела в 181 см с высоким разрешением,  и скорость - полный iPAT всего тела без изменения положения пациента. Среди 1.5-Тесловых МРТ, инновационным шагом вперед является Magnetom Aera 1.5T (по сравнению с Magnetom Espree 1.5T, который также имеет апертуру гентри 70 см). Он получил высокую оценку экспертов, однако его трудно найти на вторичном рынке. Хорошей альтернативой может быть Avanto 1.5T, хотя он и не имеет такой широкой апертуры гентри, однако имеет аналогичный интерфейс, а  также поле обзора. Также невозможно не вспомнить, что в отличие от Philips, компания Siemens устанавливает в свои сканеры "технологию нулевого выкипания гелия", которая является чрезвычайно эффективной и обеспечивает небольшой расход гелия.Рисунок 4 – Пример МРТ сканеров от компании PhilipsПреимущества и недостатки МРТВажнейшим преимуществами МРТ по сравнению с другими методами лучевой диагностики является:отсутствие ионизирующего излучения и как следствие эффектов канцеро- и мутагенеза, с риском возникновения которых сопряжено (хотя и в очень незначительной степени) воздействие рентгеновского излучения.МРТ позволяет проводить исследование в любых плоскостях с учетом анатомических особенностей тела пациента, а при необходимости - получать трехмерные изображения для точной оценки взаиморасположения различных структур.МРТ обладает высокой мягкотканной контрастностью и позволяет выявлять и характеризовать патологические процессы, развивающиеся в различных органах и тканях тела человека.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.МРТ лучше визуализирует некоторые структуры головного и спинного мозга, а также другие нервные структуры, в связи с этим она чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований нервной системы, а также в онкологии, когда необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процессаСписок заболеваний, которые можно обнаружить с помощью МРТ, внушителен: воспалительные, дистрофические и опухолевые поражения сосудов и сердца, органов грудной и брюшной полости, поражение лимфатических узлов, паразитарные процессы и другие патологии.Основные ограничения и недостатки МРТ:большая продолжительность исследования (от 20 до 40 мин)обязательным условием получения качественных изображений является спокойное и неподвижное состояние пациента, что определяет необходимость седации у беспокойных пациентов или применения анальгетиков у пациентов с выраженным болевым синдромомнеобходимость пребывания пациента в неудобном, нефизиологичном положении при некоторых специальных укладках (например, при исследовании плечевого сустава у крупных пациентов)боязнь замкнутого пространства (клаустрофобия) может быть непреодолимым препятствием для проведения обследованиятехнические ограничения, связанные с нагрузкой на стол томографа, при обследовании пациентов с избыточной массой тела (обычно более 130 кг).ограничением к проведению исследования может оказаться окружность талии, несовместимая с диаметром туннеля томографа (за исключением проведения обследования на томографах открытого типа с низкой напряженностью магнитного поля)невозможность достоверного выявления кальцинатов, оценки минеральной структуры костной ткани (плоские кости, кортикальная пластинка)не позволяет детально характеризовать паренхиму легких (в этой области она уступает возможностям КТ)в значительно в большей степени, чем при КТ, возникают артефакты от движения (качество томограмм может быть резко снижено из-за артефактов от движения пациента - дыхания, сердцебиения, пульсации сосудов, непроизвольных движений) и металлических объектов (фиксированных внутри тела или в предметах одежды), а также от неправильной настройки томографасущественно ограничивается распространение и внедрение данной методики исследования из-за высокой стоимостью самого оборудования (томографа, РЧ-катушек, программного обеспечения, рабочих станций и т.д.) и его технического обслуживанияЗаключениеЗа последние годы метод магнитно-резонансной томографии, в дальнейшем МРТ, стал популярным и широко доступным методом формирования изображений сечений тела. Это не случайно; метод МРТ прошел стремительный поэтапный цикл развития, начиная со дня открытия. Сегодня каждая уважающая себя больница или клиника для диагностики патологии имеет один или несколько МР сканеров, позволяющих получать более точные и четкие изображения внутренних органов. В настоящее время метод продолжает активно развиваться.В разделе медико-биологического обоснование были подробно описаны основы магнитно-резонансной томографии; процессы, происходящие в организме при воздействии на него магнитным полем; как зависит качество изображения от параметров магнита и создаваемого им поля, а также возможные под острые опасности, которые могут возникнуть при проведении томографии.