Магнитно-резонансная томография

В 2003 году Paul Lauterbur и Peter Mansfield получили Нобелевскую премия по медицине за достижения в области магнитно-резонансной томографии. Первые результаты были опубликованы ими в журнале – Nature в 1973 г.

Первое изображение in vivo (сечение пальца) методом селективного облучения– P.Mansfield & A.A. Maudsley, 1977. Изображение кисти человека методом «чувствительной точки» - W.Hinshaw, 1977

Первый медицинский промышленный ЯМР-томограф «для всего тела» - EMI, 1980(фирма звукозаписи).

Здесь следует сделать одну оговорку. Дело в том, что в 1984 г. ленинградскому ученому (впоследствии профессору ЛИТМО) В.А. Иванову было выдано авторское свидетельство с приоритетом от 21 марта 1960 г. на «Устройство для наблюдения внутреннего строения тел, основанное на явлении свободной прецессии ядер атомов в магнитном поле»!!! Другими словами авторское свидетельство было выдано через 24 года после подачи заявки, когда появились в печати первые зарубежные публикации по данной теме. Все это время эксперты ВНИИГПЭ не верили в возможность предложенного Ивановым метода.

Если рассматривать ослабление излучения (электромагнитного, акустического, рентгеновского) тканями человеческого тела, то природа оставила 3 окна прозрачности (рис. 4.12 и 4.13):

Рис. 4.12 Поглощение электромагнитного излучения

Рис. 4.13 Поглощение ультразвукового излучения

Первое окно – рентгеновское излучение служит с 1895 г., однако не является абсолютно безопасным. Второе окно – ультразвук обеспечивает достаточно хорошее качество и быстродействие. Третье – радиочастотное окно не не использовалось вплоть до 1972 г. Максимальная частота в этом окне не превышает 100 МГц и из-за соотношения неопределенности этой частоте соответствует разрешающая способность порядка 3 м, что явно недостаточно для получения изображения даже слона! Основополагающая идея повышения разрешающей способности при использовании ЯМР связана с созданием градиента поляризующего магнитного поля g. При этом создается разброс часто ЯМР, связанный с пространственным положением ядер. Частота ЯМР оказывается однозначно связанной с координатой ядра (рис. 4.14, 4.15). Такая одномерная спектроскопия позволяет получать одномерные проекции трехмерных плотностей изотопов (чаще всего протонов) на направление градиента магнитного поля.

Рис. 4.14 Использование градиента магнитного поля для получения ЯМР изображений

Рис. 4.15 ЯМР изображение тела человека

Для формирования полного изображения трехмерного объекта каждый элемент объема в физическом пространстве должен иметь свое соответствие в частотной области Следовательно, полное ЯМР изображение имеет форму трехмерного спектра, в котором интенсивность соответствует значению локальной спиновой плотности (числу ядер данного изотопа в единице объема).

Уже в первых опытах было получено пространственное разрешение ЯМР изображений порядка 0,3 мм. Поскольку содержание воды в различных тканях человека различается во много раз, то контрастность получаемых изображений оказывается весьма высокой. Очевидно, что при этом для ЯМР интроскопии человека в первую очередь следует использовать протоны ¹H. У них большое значение гиромагнитного отношения γ, значит при этом магнитное поле можно сделать поменьше. При этом частота ЯМР для протонов составляет 4 …10 МГц. Наряду с получением контрастности за счет спиновой плотности можно получать контрастные изображения за счет различных времен релаксации ядер в разных тканях.

Основной недостаток ЯМР - низкая чувствительность, обусловленная слабыми сигналами ЯМР. Этот недостаток можно компенсировать за счет накопления сигналов, увеличивая время измерения. Однако в медицине время часто ограничено. Таким образом, первостепенными вопрсами являются чувствительность и время получения изображения. Что касается чувствительности, то чем больше элементов объема (число ядер) наблюдаются одновременно, тем выше интенсивность сигнала и выше чувствительность.