Физика МРТ

Физические основы МРТ сложны и значительно труднее для понимания, чем принципы формирования изображений в традиционной рентгенографии, КТ или УЗИ. 

Ниже приведено очень краткое описание процесса «в общих чертах». По сути, процесс можно разделить на четыре этапа:

1. подготовка

2. возбуждение

3. пространственное кодирование

4. сбор сигнала

Для более подробного описания каждого этапа процесса перейдите по ссылкам, приведенным во вводной части и внизу страницы. 

Подготовка

Пациента помещают в статическое магнитное поле, создаваемое магнитом МРТ-сканера. В живых тканях содержится множество атомов водорода, входящих в состав молекул воды или множества других различных молекул. Протон, ядро водорода, обладает собственной намагниченностью, называемой спином. Вектор спиновой намагниченности прецессирует (вращается) вокруг магнитного поля с частотой, называемой ларморовской частотой, которая пропорциональна напряжённости магнитного поля. Результирующая намагниченность всех протонов в тканях ориентируется параллельно магнитному полю. Параллельная намагниченность пропорциональна напряжённости магнитного поля: в целом при 3 T она будет в два раза выше значения, полученного при 1.5 T. Также могут применяться дополнительные подготовительные последовательности для изменения намагниченности и, следовательно, контрастности изображения, например, инверсионная подготовка.

Возбуждение

В процессе сбора данных томограф испускает радиочастотный (РЧ) импульс. При совпадении с ларморовской частотой РЧ-импульс входит в резонанс: он создает фазовую когерентность прецессии всех спинов протонов. Длительность РЧ-импульса выбирается таким образом, чтобы отклонить спиновую намагниченность перпендикулярно магнитному полю.  Когда приёмная катушка (электрический проводник) помещается вблизи ткани, поперечная намагниченность, которая продолжает вращаться с ларморовской прецессией, индуцирует в катушке электрический ток за счёт индукции Фарадея: это и есть сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР). 

Сигнал ЯМР ослабляется из-за двух одновременно протекающих процессов релаксации. Потеря когерентности спиновой системы ослабляет сигнал ЯМР с постоянной времени, называемой временем поперечной релаксации (T2). Одновременно вектор намагниченности медленно релаксирует к своей равновесной ориентации, параллельной магнитному полю: это происходит с постоянной времени, называемой временем спин-решёточной релаксации (T1). Контрастность на МР-изображениях обусловлена тем, что различные ткани, как правило, имеют разное время релаксации T1 и T2; поскольку это особенно справедливо для мягких тканей, это объясняет превосходную мягкотканную контрастность МРТ.

Пространственное кодирование

Пространственное кодирование МРТ-сигнала осуществляется за счёт использования градиентов магнитного поля (небольших дополнительных магнитных полей с напряжённостью, линейно зависящей от их пространственного положения): спины протонов в различных точках прецессируют с немного разной частотой. Участки градиентных катушек и протекающий по ним ток, перпендикулярные основному магнитному полю, приводят к возникновению силы (силы Лоренца), действующей на катушки. В ходе этого процесса градиенты включаются и выключаются очень быстро, вызывая их вибрацию и создавая основную часть акустического шума во время сбора МР-изображений. 

Регистрация сигнала

При использовании градиентов магнитного поля получаемый сигнал ЯМР содержит различные частоты, соответствующие различному положению спинов в тканях, и называется МР-сигналом. После дискретизации аналоговый МР-сигнал оцифровывается и сохраняется для обработки, которая заключается в разделении составляющих сигнала из различных пространственных точек, представленных пикселями на итоговом изображении. Это достигается с помощью математической операции, называемой преобразованием Фурье.

Стандартное исследование

В рамках стандартного протокола исследования (который варьируется в зависимости от медицинского учреждения) получают несколько наборов изображений. Продолжительность исследования зависит от исследуемой анатомической области, предполагаемой патологии, предпочтений рентгенолога, а также используемого аппаратного и программного обеспечения томографа. Иногда для улучшения визуализации может применяться контрастное вещество, что также обычно увеличивает время сканирования. Как правило, исследования назначаются без контрастного усиления и с контрастным веществом для целей сравнения. Крайне редко и только при определенных обстоятельствах исследования назначаются только с контрастным усилением. После МРТ-исследования пациента извлекают из томографа и дают рекомендации после процедуры (информацию о контрастном веществе и/или седации, если они применялись).