Фізика магнітно-резонансної томографії (МРТ) стосується фундаментальних фізичних аспектів методів МРТ та технологічних аспектів пристроїв МРТ. МРТ - це метод медичної візуалізації, який в основному використовується в радіології та ядерній медицині для дослідження анатомії та фізіології тіла, а також для виявлення патологій, включаючи пухлини, запалення, неврологічні стани, такі як інсульт, захворювання м'язів та суглобів, аномалії серця та кровоносних судин. Контрастні речовини можуть вводитися внутрішньовенно або в суглоб для покращення зображення та полегшення діагностики. На відміну від КТ та рентгену, МРТ не використовує іонізуючого випромінювання і тому є безпечною процедурою, яка підходить для діагностики у дітей та повторних запусків. Пацієнти із специфічними неферомагнітними металевими імплантатами, кохлеарними імплантатами та кардіостимуляторами в даний час також можуть проходити МРТ, незважаючи на вплив сильних магнітних полів. Це не стосується старих апаратів, детальну інформацію для медичних працівників надає виробник апарату.
Деякі атомні ядра здатні поглинати та випромінювати радіочастотну енергію при поміщенні у зовнішнє магнітне поле. У клінічній та дослідній МРТ атоми водню найчастіше використовуються для генерації детектованого радіочастотного сигналу, який приймається антенами, розташованими в безпосередній близькості до анатомії. Атоми водню в природних умовах удосталь містяться в організмі людини та інших біологічних організмах, особливо у воді та жирі. З цієї причини більшість МРТ-сканувань по суті відображають розташування води та жиру в організмі. Імпульси радіохвиль збуджують ядерний спіновий енергетичний перехід, а градієнти магнітного поля локалізують сигнал у просторі. Варіюючи параметри послідовності імпульсів, можна створити різні контрасти між тканинами на основі релаксаційних властивостей атомів водню, що містяться в них.
У магнітному полі (B0) сканера магнітні моменти протонів вирівнюються паралельно або антипаралельно напрямку поля. Хоча кожен окремий протон може мати лише одне з двох вирівнювань, сукупність протонів поводиться так, начебто вони можуть мати будь-яке вирівнювання. Більшість протонів вирівнюються паралельно B0, оскільки це нижчий енергетичний стан. Потім подається радіочастотний імпульс, який може збудити протони від паралельного до антипаралельного вирівнювання, але останнє має значення для подальшого обговорення. У відповідь на силу, що повертає їх до рівноважної орієнтації, протони здійснюють обертальний рух (прецесію), подібно до колеса, що обертається під дією сили тяжіння. Протони повертаються в низькоенергетичний стан в результаті процесу спін-решіткової релаксації. Це проявляється у вигляді магнітного потоку, який викликає зміну напруги у приймальних котушках для отримання сигналу. Частота, де резонує протон чи група протонів у вокселі, залежить від сили локального магнітного поля навколо протона чи групи протонів; сильніше поле відповідає більшій різниці енергій та більш високочастотним фотонам. Застосовуючи додаткові магнітні поля (градієнти), які лінійно змінюються у просторі, можна вибрати певні зрізи для отримання зображення, і зображення виходить шляхом 2-вимірного перетворення Фур'є просторових частот сигналу (k-простір). Через магнітну силу Лоренца від B0 на струм, що протікає в градієнтних котушках, градієнтні котушки намагатимуться рухатися, виробляючи гучні звуки, що стукають, для яких пацієнтам потрібен захист слуху.
Історія
МРТ-сканер був розроблений у 1975-1977 роках у Ноттінгемському університеті професором Раймондом Ендрю FRS FRSE на основі його досліджень у галузі ядерного магнітного резонансу. Сканер для всього тіла було створено у 1978 році.
Ядерний магнетизм
Субатомні частинки мають квантово-механічну властивість спина. Деякі ядра, такі як 1H (протони), 2H, 3He, 23Na або 31P мають ненульовий спин і, отже, магнітний момент. У разі так званих ядер зі спином 1⁄2, таких як 1H, існує два спинові стани, іноді званих "вгору" і "вниз". Ядра, такі як 12C, не мають неспарених нейтронів та протонів і не мають чистого спина; проте ізотоп 13C має спін.
Коли ці спини поміщаються у сильне зовнішнє магнітне поле, вони обертаються навколо осі, що проходить вздовж напрямку поля. Протони вирівнюються у двох енергетичних власних станах (ефект Зеемана): один низькоенергетичний та один високоенергетичний, які розділені дуже малою енергією розщеплення.
Резонанс та релаксація
Для точного моделювання поведінки окремого протона потрібна квантова механіка, проте для адекватного опису поведінки протонів ансамблю можна використовувати класичну механіку. Як і у разі інших частинок зі спином , коли вимірюється спин окремого протона, він може мати лише один із двох результатів, зазвичай званих паралельним та антипаралельним. Коли ми говоримо про стан протона чи протонів, ми маємо на увазі хвильову функцію протона, яка є лінійною комбінацією паралельного та антипаралельного станів.
У присутності магнітного поля, B0, протони будуть прецесувати на частоті Лармору, яка визначається гіромагнітним ставленням частинки і силою поля. Статичні поля, що найчастіше використовуються в МРТ, викликають прецесію, яка відповідає радіочастотному (РЧ) фотону.
Чиста поздовжня намагніченість у термодинамічній рівновазі обумовлена крихітним надлишком протонів у стані з нижчою енергією. Це дає чисту поляризацію, яка паралельна зовнішньому полю. Застосування радіочастотного імпульсу може відхилити цей вектор чистої поляризації убік (так званий 90° імпульс) або навіть повернути його назад (так званий імпульс 180°). Протони прийдуть у фазу з радіочастотним імпульсом і, отже, друг з одним.
Відновлення поздовжньої намагніченості називається поздовжньою або T1-релаксацією і відбувається експоненційно з постійною T1. Втрата фазової когерентності у поперечній площині називається поперечною або T2 релаксацією. Таким чином, T1 пов'язана з ентальпією спинової системи, або кількістю ядер з паралельним та антипаралельним спином. T2, з іншого боку, пов'язана з ентропією системи або кількістю ядер у фазі.
Коли радіочастотний імпульс вимикається, компонент поперечного вектора створює магнітне поле, що осцилює, яке індукує невеликий струм у приймальній котушці. Цей сигнал називається розпадом вільної індукції (FID). В ідеалізованому експерименті ядерного магнітного резонансу FID розпадається приблизно експоненційно з постійною T2. Однак у практичній МРТ існують невеликі відмінності у статичному магнітному полі у різних просторових точках ("неоднорідності"), які викликають зміну ларморівської частоти в тілі. Це створює деструктивну інтерференцію, яка вкорочує FID. Постійна часу для розпаду ФІД, що спостерігається, називається T часи релаксації і завжди коротше T2. У той же час поздовжня намагніченість починає відновлюватися експоненційно з постійної часу T1, яка набагато більша за T2 (див. нижче).
При МРТ статичне магнітне поле посилюється котушкою з градієнтом поля і змінюється по всій області, що сканується, так що різні просторові точки стають пов'язаними з різними частотами прецесії. Тільки тих областях, де поле таке, що частоти прецесії збігаються з частотою РЧ, спостерігатиметься збудження. Зазвичай ці градієнти поля модулюються для того, щоб переміщатися по області, що сканується, і саме майже нескінченна різноманітність послідовностей радіочастотних і градієнтних імпульсів надає МРТ універсальність. Зміна градієнта поля поширює сигнал у відповідь ФІД в частотній області, але він може бути відновлений і виміряний за допомогою перефокусуючого градієнта (для створення так званої "градієнтної луни"), або радіочастотного імпульсу (для створення так званого "спін-луна"), або при цифрової постобробки сигналу, що поширюється. Весь процес може бути повторений, коли відбулася деяка релаксація T1 і теплова рівновага спинів більш-менш відновлена. Час повторення (TR) - це час між двома послідовними збудженнями того самого зрізу.Page 26 in:
Як правило, у м'яких тканинах T1 становить близько однієї секунди, тоді як T2 та T становлять кілька десятків мілісекунд. Однак ці значення можуть сильно змінюватись між різними тканинами, а також між різними зовнішніми магнітними полями. Така поведінка є одним із факторів, що забезпечують МРТ величезну контрастність м'яких тканин.
Контрастні речовини для МРТ, наприклад, що містять гадоліній (III), діють шляхом зміни (укорочування) параметрів релаксації, особливо T1.
Візуалізація
Схеми візуалізації
Було розроблено кілька схем комбінування градієнтів поля та радіочастотного збудження для створення зображення:
2D або 3D реконструкція з проєкцій, як у комп'ютерній томографії. Побудова зображення за точками або лініями. Градієнти у радіочастотному полі, а не у статичному полі. Хоча кожна з цих схем іноді використовується в спеціальних додатках, більшість МР-зображень сьогодні створюється методом двовимірного перетворення Фур'є (2DFT) з вибором зрізів, або методом тривимірного перетворення Фур'є (3DFT). Інша назва 2DFT – spin-warp. Далі слідує опис методу 2DFT з вибором зрізів.
Метод 3DFT досить схожий, крім того, що вибір зрізів відсутня, а фазове кодування виконується у двох окремих напрямках.
Відлуння-планарна візуалізація
Інша схема, яка іноді використовується, особливо при скануванні мозку або там, де зображення потрібні дуже швидко, називається ехо-планарною візуалізацією (ЕПІ): У цьому випадку за кожним радіочастотним збудженням слідує серія градієнтних ехо-сигналів з різним просторовим кодуванням. Мультиплексна ЕПД ще швидше, наприклад, для фМРТ всього мозку або дифузійної МРТ.
Контрастність зображення та контрастне посилення Контрастність зображення створюється з допомогою відмінностей силі сигналу ЯМР, отриманого з різних місць зразка. Це залежить від відносної щільності збуджених ядер (зазвичай протонів води), від відмінностей у часі релаксації (T1, T2 та T) цих ядер після послідовності імпульсів і часто від інших параметрів, що обговорюються розділ спеціалізованих МР-сканувань. Контраст у більшості МР-зображень фактично є сумішшю всіх цих ефектів, але ретельна розробка послідовності імпульсів для візуалізації дозволяє підкреслити один механізм контрасту, а інші звести до мінімуму. Можливість вибору різних механізмів контрастування надає МРТ величезну гнучкість. У головному мозку при T1-зважуванні нервові зв'язки білої речовини здаються білими, скупчення нейронів сірої речовини – сірими, а спинномозкова рідина (СМР) – темною. Контраст білої речовини, сірої речовини та спинномозкової рідини змінюється на протилежний при використанні T2 або T-зображень, у той час як при використанні зображень, зважених за протонною густиною, контрастність у здорових людей незначна. Крім того, функціональні параметри, такі як мозковий кровотік (CBF), об'єм мозкової крові (CBV) або насичення крові киснем можуть впливати на T1, T2 і T і тому можуть бути закодовані за допомогою відповідних імпульсних послідовностей.
У деяких ситуаціях неможливо створити достатній контраст зображення, щоб адекватно відобразити анатомію або патологію, що цікавить, регулюючи тільки параметри візуалізації, в цьому випадку може бути введена контрастна речовина. Для візуалізації шлунка та тонкого кишечника це може бути просто вода, прийнята перорально. Однак більшість контрастних агентів, що використовуються в МРТ, підбираються з урахуванням їх специфічних магнітних властивостей. Найчастіше вводиться парамагнітна контрастна речовина (зазвичай з'єднання гадолінію). Посилені гадолинієм тканини та рідини виглядають надзвичайно яскравими на T1-зважених зображеннях. Це забезпечує високу чутливість для виявлення судинних тканин (наприклад пухлин) і дозволяє оцінити перфузію мозку (наприклад, при інсульті). Останнім часом виникли побоювання щодо токсичності контрастних речовин на основі гадолінію та їхнього впливу на людей з порушеною функцією нирок. (Див. розділ "Безпека/контрастні речовини" нижче).