Принцип действия мрт

 

В медицинской практике существует большое количество диагностических аппаратов, помогающих исследовать организм человека и обнаруживать развитие патологий. Современная магнитно-резонансная томография занимает одно из лидирующих мест среди разнообразия методов сканирования. Такие преимущества как неинвазивность, безопасность сделали её популярной во врачебной практике. Отличительной особенностью является использование электромагнитного поля, а не потенциально вредного облучения (как при компьютерной томографии). Последнюю делать часто не рекомендуют. Принцип работы МРТ – ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) с последующей обработкой специализированной программой полученных откликов структур. В результате воздействия аппарата врачи получают множественные срезы интересующей области тела человека на мониторе. Диагностика не приносит боли и неприятных ощущений, что позволяет использовать метод для выявления различных заболеваний.

История МРТ

Становление современной томографии проходило в несколько этапов. Первыми представителями научной мысли, открывшими миру возможности магнитно-ядерного резонанса, были сотрудники Гарвардского Университета – Ричард Пурселл и Феликс Блох. В 50-е годы XX столетия проводили испытания взаимодействия атомарных ядер. Спустя почти 10 лет, Пол Лютербург продолжил начатое дело и открыл миру возможности обследования с помощью магнитного поля. Изобретение стало прорывом среди научных разработок по использованию ЯМР. В 1973 году исследователь опубликовал статью, анонсировал сенсационное открытие — возможность создания изображения на основе ядерно-магнитного резонанса. Данные разработки дали толчок к последующим исследованиям и усовершенствованиям метода сканирования органов человека.

Изобретателем магнитно-резонансного томографа считают Реймонда Дамадьяна. В 2003 году Питера Мэнсфилда удостоили Нобелевской премии за вклад в создание МРТ. Британский физик успешно усовершенствовал математическую часть формирования изображения в процессе работы аппарата.

Изначально МРТ использовали для выявления и контроля опухолей: отклик от пораженных клеток значительно отличался от здоровых.

 

 

Через 8 лет состоялся следующий прорыв в обследовании, выполняемом с помощью магнитного поля. Удалось визуализировать кровоток в интересующей области человеческого организма без применения контрастных препаратов (МР-ангиография).

Современной магнитно-резонансной томографии под силу выявить заболевания в следующих зонах:

• головном и спинном мозге;
• позвоночнике и окружающих структурах: хрящах, связках, сухожилиях, мышцах;
• внутренних органах;
• суставах;
• мягких тканях.

Диагностика дает возможность определить патологию на ранних стадиях, что повышает эффективность терапии и ускоряет процесс выздоровления. При планировании хирургического вмешательства МРТ помогает точно спланировать ход действий, опираясь на визуальное представление о состоянии конкретного органа.

Как работает МРТ?

Суть магнитно-резонансной томографии состоит во взаимодействии водорода, содержащегося в молекулах воды клеток человеческого организма, с магнитным полем.

На время сканирования пациента помещают в тоннель аппарата, где внутри находятся:

• магнит;
• радиочастотные и градиентные катушки;
• генератор радиоимпульсов;
• охлаждающая система;
• считывающее устройство и пр.

Отклики протонов водорода фиксирует специальная программа. Полученные от здоровых клеток результаты отличаются от ответов структур, пораженных болезнью. На снимках удается в деталях рассмотреть орган, дифференцировать патологию.

МРТ лучше визуализирует мягкие ткани организма. Данный факт связан с тем, что последние содержат больше жидкости.

Возможности магнитно-резонансной томографии

К преимуществам МРТ относят безопасность, быстроту, безболезненность, точность и неинвазивность. На основе принципа работы томографа можно выделить несколько специфических характеристик данного варианта диагностики:

• широкие возможности: получение детализированного изображения внутренних органов и структур, дифференцирование патологических процессов;


• высокая результативность при обследовании областей, которые технически невозможно рассмотреть с помощью КТ из-за недостаточной плотности тканей или противопоказаний к последней;
• комплексная диагностика не только органов, но и их функционирования (кровотока по сосудам, движения спинномозговой жидкости, работу желчевыводящих путей и пр.);
• отсутствие потенциально вредного облучения;
• увеличение точности визуализации за счет введения специальных контрастных препаратов;
• минимальная вероятность развития побочных эффектов от использования индикатора;
• возможность диагностики на открытом типе устройства, если пациент страдает клаустрофобией и пр.

Метод МРТ практически исключает вероятность получения ошибочных результатов. Современная магнитно-резонансная томография – один из самых точных способов обследования. Ошибка может возникнуть при неправильной расшифровке результатов сканирования, двигательных артефактах на пленках, несоблюдении техники безопасности. Постановка диагноза выполняется только лечащим врачом: не стоит самостоятельно читать снимки.

В медицинском центре «Магнит» Вы можете пройти МРТ любой области организма. Врачи МЦ проводят процедуру как по направлению, так и без такового. Обследование длится до 30 минут. Результаты Вам выдадут с заключением эксперта в течение часа после сканирования.

Источник: spb24mrt.ru

Квантовая физика, математика, биология, криогеника, химия и электроника сплелись единым узором, чтобы воплотиться в железе и показать настоящий внутренний мир человека, и даже, ни много ни мало, прочитать его мысли. Электроника таких аппаратов, по надежности и сложности может сравниться разве что с космической. Эта статья посвящается оборудованию и принципам работы магнитно-резонансных томографов.

В области современного томографостроения лидируют мастодонты электронного мира: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Только такие крупные компании могут позволить себе разработку столь сложного оборудования, стоимость которого как правило составляет десятки (почти сотни) миллионов рублей. Разумеется, ремонт такой дорогущей техники у официального представителя влетает в огромную копеечку владельцу аппарата (а они к слову в основном частные, а не государственные). Но не стоит отчаиваться! Также как и сервис-центры по ремонту ноутбуков, телефонов, чпу-станков, да собственно любой электроники существуют фирмы, занимающиеся ремонтом медицинского оборудования. В одной из таких фирм я и работаю, поэтому продемонстрирую вам интересную электронику и постараюсь описать ее функционал понятными словами.

Магнитно-резонансный томограф фирмы GE Healthcare с полем 1.5 Тесла. Стол отсоединяется от томографа и может быть использован как обычная каталка.

Вся магия МРТ начинается с квантовой физики, откуда берет свое начало термин «спин», применяемый к элементарным частицам. Можно встретить кучу определений, что такое спин, общепринято — это момент количества движения частицы, что бы это не значило. В моем понимании частицы как-бы постоянно вращаются (упрощенно) создавая при этом возмущения в магнитном поле. Так как элементарные частицы в свою очередь образуют ядра атомов, считается, что их спины при этом складываются и ядро обладает собственным спином. При этом, если мы хотим как-то взаимодействовать с ядрами атомов с помощью магнитного поля, нам будет очень важно, чтобы спин ядра был ненулевой. Совпадение или нет, но самый распространенный в нашей вселенной элемент — водород имеет ядро в виде одного единственного протона, который имеет спин равный 1/2.

А это означает, что упрощенно, ядра водорода можно рассматривать как очень маленькие магниты, имеющие северный и южный полюс. И стоит ли упоминать, что в теле человека атомов водорода просто море (около 10^27), но так как мы не притягиваем к себе железки, становится очевидно, что все эти маленькое «магниты» уравновешиваются между собой и остальными частицами, и общий магнитный момент тела практически равен нулю.

Иллюстрация из книги Эверта Блинка «Основы МРТ». Протоны с черными стрелками, символизирующими стрелку компаса вращаются в направлении синей стрелки.

Приложив внешнее магнитное поле, можно вывести эту систему из равновесия и протоны (не все конечно) поменяют свою пространственную ориентацию в соответствии с направлением силовых линий поля.

Иллюстрация из книги Lars G. Hanson Introduction to Magnetic Resonance
Imaging Techniques. Спины протонов в теле человека показаны в виде векторов-стрелочек. Слева отражена ситуация когда все протоны находятся в магнитном равновесии. Справа — когда приложено внешнее магнитное поле. Нижние визуализации показывают тоже самое в трехмерном варианте, если построить все векторы из одной точки. При всем этом, происходит вращение (прецессия) вокруг силовых линий магнитного поля, которая показана круглой красной стрелкой.

Прежде чем протоны сориентируются в соответствии с внешним полем, они будут какое-то время колебаться (прецессировать) около положения равновесия, как и стрелка компаса, что колебалась бы возле отметки «север», если бы производитель предусмотрительно не добавил бы демпфирующую жидкость внутрь циферблата. Примечательно, что частота таких колебаний различается для разных атомов. На измерении этой частоты например, основаны методы резонансного определения состава исследуемого вещества.

Для ядер атомов водорода в поле величиной 1 Тесла эта частота составляет 42,58 МГц, ну или простыми словами, колебания протонов вокруг силовых линия поля такой напряженности происходят около 42 миллионов раз в секунду. Если мы облучим протоны радиоволной с соответствующей частотой, то возникнет резонанс, и колебания усилятся, вектор общей намагниченности при этом сместится на определенный градус относительно линий внешнего поля.

Иллюстрация из книги Lars G. Hanson Introduction to Magnetic Resonance Imaging Techniques. Показано как смещается общий вектор намагниченности, после воздействия радиоволны с частотой, которая вызывает резонанс в системе. Не забываем, что все это продолжает вращаться относительно силовой линии магнитного поля (на рисунке она расположена вертикально).

Тут и начинается самое интересное — после взаимодействия радиоволны с протонами и резонансного усиления колебаний, частицы снова стремятся придти к равновесному состоянию, при этом, излучая фотоны (из которых и состоит радиоволна). Это и называется эффектом ядерного магнитного резонанса. По сути, все исследуемое тело превращается в огромный массив миниатюрных радиопередатчиков, сигнал с которых можно поймать, локализовать и построить картину распределения атомов водорода в веществе. Так что, как вы уже догадались, по сути МРТ показывает картину распределения воды в организме. Чем сильнее напряженность поля, тем большее число протонов можно использовать для получения сигналов, поэтому разрешающая способность сканера напрямую зависит от этого.

Сей эффект проявляется не только в сильных магнитных полях — каждый день, даже по пути в магазин за хлебом, протоны нашего тела испытывают влияние магнитного поля Земли. Исследователи из Словении например, построили экспериментальную систему МРТ, использующую лишь магнитное поле нашей планеты.


Иллюстрация из научной статьи «Magnetic Resonance Imaging System Based on
Earth’s Magnetic Field» Авторы: Ales Mohoric, Gorazd Planins и др. Демонстрирует снимки, полученные с использованием экспериментальной системы. Слева яблоко, справа — апельсин. Показательно не то, что получаются снимки с плохим качеством, а сама принципиальная возможность использования МР в слабых полях.

Разумеется, в коммерческих медицинских сканерах, напряженность магнитного поля многократно выше земного. Наиболее часто используют сканеры с полем 1, 1.5 и 3 Тесла, хотя есть как более слабые (0.2, 0.35 Тесла), так и суровые монстры в 7 и даже 10 тесла. Последние используют в основном для исследовательской деятельности, и в нашей стране насколько мне известно, таких нет.

Конструктивно поле в сканере может создаваться по разному — это и постоянные магниты, и электромагниты, и погруженные в кипящий гелий сверхпроводники по которым текут огромные токи. Последние широко распространены, и представляют наибольший интерес, так как позволяют добиться несравненно большей напряженности поля по сравнению с другими вариантами.

Типичная конструкция аппарата МРТ, поле в котором создается током, текущим через сверхпроводники. Источник — интернет.

Температура сверхпроводящих обмоток поддерживается благодаря постепенному испарению хладагента — жидкого гелия, кроме того в системе работает криокулер, на жаргоне медтехников называемый «холодной головой». Он издает характерные чавкающие звуки, которые вы наверняка слышали если хоть раз видели аппарат вблизи. Ток в сверхпроводниках течет постоянно, а не только во время работы аппарата, соответственно магнитное поле есть всегда. На незнании этого факта часто попадаются киношники (например в последнем сезоне сериала «Черное зеркало» был подобный ляп).

На панели управления аппаратов такого типа есть большая красная кнопка, позволяющая отключить магнитное поле (Rundown magnet). Она не без иронии называется «Кнопка увольнения».

Одна из панелей управления томографом фирмы Siemens

Нажатие этой кнопки включает аварийные нагреватели в емкости с хладагентом, которые поднимают температуру обмоток до критической точки, после которой процесс идет лавинообразно: после приобретения обмотками сопротивления, ток через них моментально разогревает их и все вокруг, приводя к выбросу гелия через специальную трубу. Этот процесс называется «квенч», и это наверное самое грустное, что может случится с аппаратом, так как восстановление его работоспособности после такого занимает очень много времени и денег.

Томограф Siemens Espree, с полем 1.5. Тесла, обратите внимание на металлические ключи, которые спокойно лежат на столе — магнитного поля тут больше нет. Был закуплен для некоторых государственных клиник у компании Siemens. Имеет сравнительно малые размеры емкости и большой диаметр апертуры. Есть мнение, что подобное укорочение конструкции вылилось в то, что он любит часто пускать гелий на ветер сам по себе (по крайней мере аппарат на фото делает это с завидной регулярностью).

Тем временем после небольшого отступления, снова вернемся к теории. Если просто принимать радиоволны испускаемые протонами тела в ответ на резонансные радиоимпульсы, картинку не построить не выйдет. Как же локализовать сигнал, который идет сразу со всех частей тела? В свое время исследователи Пол Лотербур и Питер Мэнсфилд получили за решение этой проблемы нобелевскую премию по медицине. Если вкратце, их решение состоит в применении дополнительных обмоток в аппарате, создающих практически линейное изменение напряженности магнитного поля вдоль выбранного направления — градиент поля. Так как наше пространство вроде как трехмерное, то и обмоток используется три — оси X, Y и Z.

Иллюстрация из книги Эверта Блинка «Основы МРТ». Примерно так выглядят дополнительные градиентные обмотки внутри аппарата — реальные обмотки имеют конечно более сложную структуру.

Если напряженность магнитного поля изменяется по линейному закону, то при активации одного из градиентов протоны вдоль этого направления будут иметь различную резонансную частоту.

Иллюстрация с сайта howequipmentworks.com. Символически нарисованы градиентные обмотки (синим) и радиочастотная обмотка (зеленым). Показано что при создании градиента поля вдоль стола в точке А резонансная частота протонов будет отличатся от частоты в точке B

Использование градиентов позволяет манипулировать полем так, чтобы сигнал приходил только из конкретно определенных областей. В зависимости от амплитуды полученного сигнала выбирается яркость пикселя на картинке. Чем больше концентрация протонов в области — тем ярче результат.

Чтобы создать градиент магнитного поля, нужно пропустить через градиентные обмотки большой ток, причем импульс должен быть довольно кратковременным, и с крутым фронтом, а для некоторых программ и вовсе требуется, чтобы направление тока в градиентной обмотке мгновенно менялось на противоположное для перемагничивания. Этим занимаются мощные импульсные преобразователи, они занимают целую стойку в аппаратной.

Градиентные усилители аппарата Siemens Harmony 1T. Рабочие характеристики — до 300 Ампер и до 800 Вольт, при использовании шести модулей — на фото представлено три модуля.

В аппаратах Siemens традиционно используется водяное охлаждение силовых компонентов — трубки видно на фото. Это нередко выливается (интересный каламбур) в хороший салют при любой течи. Несмотря на хваленое немецкое качество, никто не озаботился установкой датчиков протечки ( в этом плане им стоило бы поучиться у GE). Но справедливости ради, конкретно градиентные блоки текут редко, чаще они выходят из строя без видимой причины.

Внутренности градиентного модуля от Siemens Harmony старого типа.

Модуль вроде тех, что показан на фото тяжело поддается ремонту — транзисторы приклеены к медной трубке на что-то вроде холодной сварки, и горят они там сразу десятками. Чтобы снять плату, требуется отпаять одновременно несколько десятков ножек! Лучше забудем этот кошмар, и посмотрим на более свежее решение от немецкого производителя.

Градиентный усилитель от Siemens Harmony. Более новая версия. Две симметричные платы прикручиваются болтами к очень мощным полевым транзисторам. Транзисторы работают группами по шесть штук параллельно, горят конечно тоже не по одному. Модель на фото уже слегка «отколхожена», вместо родных разъемов между платами впаяны медные пластины. Обратите внимание на верхний правый угол фото — это оптические кабели по которым идет сигнал на открытие ключей. Если перепутать их подключение — блок тут же сгорает с громким хлопком, никакой защиты «от дурака» в такой технике не предусмотрено.

Одной из главных проблем при ремонте является отсутствие какой-либо документации, тем более, оборудование весьма специализированное. Поэтому порой приходится набить немало шишек и пожечь довольно много недешевых компонентов, чтобы понять что же было не так. Конечно, за деньги можно купить и сервисные мануалы, но как правило, они весьма поверхностные. Крутые фирмы надежно хранят свои секреты.

Чем сильнее магнитное поле в аппарате, тем соответственно более мощными должны быть и градиентные преобразователи. В аппаратах с полем 1.5 Т и 3 Т куча параллельных полевых транзисторов, которые нужно набрать для обеспечения необходимой мощности, становится чересчур огромной, в дело вступают IGBT сборки, подобные тем, что ставят в промышленные преобразователи частоты для управления двигателями.

Градиентный усилитель Quantum Cascade в разборе, ток до 500 Ампер, выходное напряжение до 2000 В. В его составе работают 20 мощных IGBT сборок. Здесь есть интересный момент — сама по себе сборка не выдержит 2 киловольта, это напряжение получается путем использования пяти независимых источников по 400В каждый. Моя мечта — собрать из этого агрегата катушку Тесла.

Что же творится с градиентными обмотками, когда по ним текут такие чудовищные токи, с учетом того что они еще и находятся в неслабом магнитном поле? Сила Ампера разумеется заставляет их деформироваться, но они накрепко залиты смолой по самое немогу. Тем не менее, даже это не спасает — так как градиенты работают в диапазоне звуковых частот, то возникающие при этом вибрации могут порождать довольно громкие звуки, по громкости напоминающие удар молотком по гвоздю (с той оговоркой, что вы слышали как стучат молотком около 5000 ударов в секунду). Поэтому практически в любом аппарате МРТ есть наушники, либо беруши. Софт и аппаратура постоянно контролируют уровень звука в помещении сканера, чтобы децибелы не выходили за допустимые пределы. Быстро изменяющееся при работе градиентов магнитное поле, вкупе с порождающими резонанс радиочастотными импульсами наводит вихревые токи в любой металлической поверхности рядом со сканером, что приводит к вибрации металла и небольшому нагреву, а на снимках даже от маленькой металлической пломбы появятся характерные артефакты. Именно по этой причине перед обследованием в МРТ требуют избавиться от всего металла (пломбы снимать не надо).

За создание радиочастотных импульсов нужной частоты отвечает блок синтезатора (в аппаратах Siemens) или же эксайтер (в случае аппаратов GE). Несмотря на разные названия, их функции примерно одинаковы. Эти блоки как правило надежны и редко требуют ремонта, если с ними аккуратно обращаться. Сигнал формируется путем цифро-аналогового синтеза, и представляет собой sinc-функцию.

Слева продемонстрированы два вида радиочастотных импульсов — гауссиан и sinc, он же так называемый кардинальный синус. Справа показан профиль возбуждения при их использовании в качестве радиочастотного возбуждающего сигнала — то есть примерно показана форма области, где протоны войдут в резонанс, вид сбоку. Разумеется нижняя версия более предпочтительна для создания изображений (слайсов), особенно когда они расположены близко друг к другу, чтобы уменьшить влияние сигналов за пределами выбранной области сканирования.

Наконец, мы подошли без преувеличения, к самому интересному по моему мнению блоку во всем томографе — радиочастотный усилитель мощности, который преобразует слабый сигнал с синтезатора в мощный, подаваемый на передающую антенну в аппарате.

Мощность усилителя для томографа с полем 1Т составляет 10кВт, для поля 1.5Т уже 15 кВт, соответственно для более высокопольных аппаратов требуются большие мощности в плане радиочастотного излучения. Это одна из причин, почему высокопольные аппараты еще прочно не вошли в клиническую практику. Но давайте без фанатизма — постоянно разговаривая по мобильнику вы пооблучаетесь побольше чем за один сеанс в аппарате МРТ.
Как правило этот блок совмещает в себе сложные запутанные схемы управления и защиты, радиочастотные фишки, большие напряжения, а также проблемы с охлаждением.

В томографах General Electric и Hitachi ставят усилители мощности, изготавливаемые фирмой Analogic. Отличаются красивой компоновкой компонентов на плате, высокой живучестью — как правило в их усилителях несколько транзисторных каскадов работают параллельно, причем выходной сумматор устроен так, что при отказе одного каскада усиления, блок продолжит работать, хоть и не на полную мощность.

Плата усилителя из аппарата GE. Красивая и эффектная конструкция!

К сожалению, не могу сказать того же про продукцию Siemens. Очевидно, что перед инженерами, проектировавшими устройство радиочастотного усилителя поставили задачу во чтобы то ни стало использовать производимый компанией дешевый транзистор Buz103. Это хилый компонент в плане допустимой для него мощности, и чтобы выкрутится из положения, в итоговую конструкцию усилителя с красивым именем «Dora» вставили 177 транзисторов, все они стоят на двух огромных радиаторах, которые при работе находятся под высоким напряжением и контактируют через термопрокладку с радиатором водяного охлаждения, а тот уже в свою очередь постоянно течет, причем прямо на плату, что на фото далее.

Плата усилителя Siemens усилителя мощности 10кВт. Сплошные электротехнические понты: индуктивности из дорожек, идущие через несколько слоев, сложнейшая схема управления транзисторами на 10-слойной плате, резонаторы из полигонов и прочие малоприятные вещи.

Ремонтопригодность усилителя этой фирмы практически никакая. Имея в своем распоряжении производство транзисторов Siemens может позволить себе собрать близкие по параметрам детали из партии, путем отбора, а это очень критично когда параллельно работает сразу сотня транзисторов. И самое обидное, что даже если купить нужное количество на замену, то выяснится что то, что находятся в продаже оказывается не тем чем кажется.

Вскрытие транзисторов — снаружи все подписаны и выглядят одинаково, внутри — все разные. Оригинал — крайний справа. Те, что с меньшей площадью кристалла чем у оригинала — горят как спички, второй справа хоть и имеет близкую площадь, но отвратительно работает в режиме усиления.

Вероятно у кого нибудь может возникнуть вопрос, почему в описанных усилителях применяют транзисторы, а как же лампы? Действительно, в старых агрегатах фирмы Siemens, а также во вполне современных аппаратах Philips с полем в 3Т применяют именно лампы. Увы, фото данного железа у меня нет, но могу сказать что срок службы у этих элементов составляет всего год-два, а цена у них немалая. Вообще, как то в статье обделил вниманием Philips, нехорошо вышло. Исправлюсь немного:

МРТ нового типа — Philips Panorama. Как правило аппараты открытого типа основаны на использовании постоянных магнитов или электромагнитов, что автоматом означает низкое поле и качество картинки. Но не в этом случае. Поле этого аппарата 1 Тесла, и здесь также применяется сверхпроводник. Огромное по сравнению с обычным томографом пространство позволяет проводить исследование крупных пациентов, либо тех кто боится замкнутого пространства, например детей.

Мощность радиочастотного сигнала контролируется в самом блоке усилителя мощности, в измерительном блоке, осуществляющем подстройку передающей антенны (катушки) и еще в приемнике. Таким образом, аппарат МРТ имеет троекратную защиту от превышения допустимых норм радиоизлучения. Так что не бойтесь, и смело проходите обследование.

Несмотря на всю мощь усилителей, описанную выше, сигнал, получаемый в ответ на резонансное возбуждение довольно мал. Поэтому передающую антенну (Body coil), описанную ранее и находящуюся в корпусе томографа редко используют в режиме приема сигнала. Вместо этого, существует большой набор катушек (coils) для любых частей тела — голова, спина, колено, плечи и.т.п. Они находятся гораздо ближе к объекту исследования и позволяют добиться лучшего качества изображения. Но я думаю вы уже устали от кучи информации, поэтому я просто засуну в томограф арбуз.

Арбуз готовится к исследованию. На нем сверху лежит катушка, предназначенная для грудной области, под ним — катушка для спинного отдела и позвоночника. Справа на полу — шар для предсказаний специальный объект для калибровки систем аппарата, так называемый «фантом»

Мало кто режет арбузы в поперечном направлении. Аппарат МРТ позволяет сделать это без ножа. Знали ли вы об интересной фрактальной структуре внутри? Обратите внимание, что верхняя часть, которая ближе к приемным элементам катушки светлее, так как амплитуда сигнала, получаемого из этой области выше, чем снизу ягоды.

Продольный разрез уже знаком всем. Думаю, арбуз спелый, можно брать.

Сигнал с катушек поступает в блок приемника в виде аналоговых сигналов, где перерабатываются в цифровую форму. В новейшем оборудовании на острие прогресса, приемник с аналогово-цифровым преобразователем встроен прямо внутрь катушки, а к компьютеру идет оптическая линия передачи данных. Это сделано для того чтобы максимально убрать помехи. Компьютер, занимающийся построением изображения из этих данных обычно стоит отдельно и называется реконструктором. Полученные изображения печатают на пленку, которая кстати хорошо подходит для фоторезиста.

В заключение еще хотел добавить, что в России прямо сейчас проводят интересные исследования по улучшению качества изображения в аппаратах МРТ. Этим занимается кафедра нанофотоники и метаматериалов университета ИТМО. Если простыми словами — метаматериалы это композиты, имеющие специальную структуру. Они позволяют создавать антенны и резонаторы, с очень малыми размерами по сравнению с длинной волны излучения, что идеально подходит для магнитно-резонансной томографии.

Продолжение

Источник: habr.com

Содержание

• Простая теория
• Что делать нельзя
• Испытано на себе
• Как долго может длиться сканирование
• Есть ли откровенно сложные для томографа задачи?
• Почему нельзя двигаться?
• Зубы надо сжимать, чтобы пломбы не вылетели?
• ПО, катушки
• Красивая картинка

Простая теория

Вначале немного простой теории. МРТ (MRI в английском языке) представляет собой способ получения послойного изображения внутренней структуры того или иного объекта. Грубо говоря, МРТ помогает добыть виртуальные срезы тканей и органов живого человека без вторжения в его тело — это так называемый неинвазивный метод.

В основе лежит явление, которое именуют ядерным магнитным резонансом (ЯМР), и в прошлом к аббревиатуре МРТ в начале добавляли букву «Я» (в английском вместо MRI говорили NMR). Но от слова «ядерный» решили избавиться по простой причине — чтобы не нервировать народ, хотя с бомбами или радиоактивными элементами периодической таблицы Менделеева ничего общего здесь нет.

Если это как-то поможет понять лежащие в основе явления процессы, речь в данном случае идет об измерении электромагнитного отклика атомных ядер, возбуждаемых электромагнитными волнами разных сочетаний (поэтому, кстати, и слышен ритмичный звук разной тональности) в постоянном магнитном поле высокой напряженности, указанной в теслах.

Напряженность поля влияет на качество получаемой картинки. Чем мощность меньше, тем более узкий спектр применимости томографов, которые, в свою очередь, подразделяются на несколько основных типов — от низкопольных до сверхвысокопольных (от слова «поле», а не «пол»).

Утверждать, что чем мощнее, тем лучше, не станем. Скажем так: чем мощнее, тем более универсальна и точна система. Но чем более она универсальна, тем выше ее цена, которая может исчисляться сотнями тысяч долларов и даже переваливать за миллион.

У низкопольных напряженность поля составляет до 0,5 Т. Считается, что такие томографы без контрастирования позволяют получить базовую информацию. Затем следуют среднепольные (1 Т), высокопольные (1,5 Т) и сверхвысокопольные (3 Т). Есть и более мощные, но обычным медучреждениям они не нужны.

«Многие спрашивают, какая разница между 3 Т и 1,5 Т? Принципиальное отличие — в детализации и четкости картинки», — пояснила заведующая кабинетом МРТ центра «Томография» Веста Короленок. В качестве примера она рассказала о пациенте с небольшой опухолью: аппарат с 1,5 Т ее не заметил, а на 3 Т патологию увидели, отправив человека в один из РНПЦ.

Есть также томографы закрытого и открытого типа. Одна из особенностей первых, которые более распространены, заключается в ограничениях по габаритам пациента — очень полный человек попросту не поместится в «трубу». Кроме того, страдающие от клаустрофобии могут чувствовать себя неуютно в замкнутом пространстве, где к тому же нельзя двигаться. Открытые томографы позволяют проводить исследования отдельных суставов, позвоночника и даже головы. Слабая сторона томографов открытого типа — более низкая разрешающая способность: все они являются низкопольными и имеют напряженность магнитного поля не более 0,35 Т.

Что делать нельзя

Попасть внутрь томографа можно, но не всем. Прежде всего туда нельзя обладателям имплантов разных типов: от кардиостимуляторов до слуховых аппаратов. Причин несколько: во-первых, магнитное поле может повредить и/или нарушить работу импланта, во-вторых, есть шанс нанести температурную или иную травму пациенту, в-третьих, наличие импланта негативно скажется на результатах сканирования.

То же касается металла в теле — «спиц» и штифтов, дроби и осколков, хирургических зажимов и подобных элементов (титановые — исключение).

В некоторых случаях при сканировании применяются контрастирующие препараты, которые дополнительно увеличивают четкость изображения. Их компоненты могут вызывать аллергию, они обычно противопоказаны беременным женщинам, а также в период лактации.

Испытано на себе

В «Томографии» установлен сверхвысокопольный Siemens Magnetom Spectra 3 T. Легким агрегат назвать нельзя: его вес в снаряженном состоянии составляет около 7,3 тонны при длине туннеля в 173 см. Система позволяет применять до 120 элементов катушек для покрытия всей анатомической зоны (например, всей центральной нервной системы). Используется фирменное программное обеспечение Siemens, которое в первую очередь влияет на качество сканирования и итогового изображения со срезами толщиной 0,5—1 мм.

Обследуемого облачают в одноразовый безразмерный костюм, в котором отправляют в жерло томографа. Человека укладывают на стол (именно так называется конструкция, которая затем скрывается в туннеле). Чтобы как-то уберечь уши от громкого звука, на голову надевают наушники, из которых звучит легкая музыка. При желании можно вооружиться собственным трек-листом или аудиокнигой.

Это удивило: какие наушники, если металлов быть не должно? Все просто — звук в наушники-воронки передается не по проводам, а по трубкам из эластичного пластика, поэтому композиции звучат как из колодца. Стоит отметить, что заглушить «напевы» томографа аксессуар способен не полностью.

Выпрыгнуть из аппарата нельзя, поэтому на всякий случай в руку пациенту вкладывают грушу (правильно — сигнальное устройство). При приступах паники или по каким-либо другим причинам достаточно сжать ее, и у рентгенолаборанта, контролирующего процесс в помещении рядом (в так называемой пультовой), сработает чрезвычайно громкая сигнализация.

«Казалось бы, все хорошо, пациента уложили, но только успели закрыть дверь, как грушу уже нажали», — рассказывает нам Веста. По ее словам, бывают люди, которые устают в процессе, а он может длиться до двух часов. Поэтому иногда делается перерыв, чтобы пациент мог передохнуть. Это в первую очередь касается такого исследования, как МРТ всего тела.

Достаточно часто встречаются и люди с клаустрофобией, паническими расстройствами. В этом случае рекомендуют узнать у специалиста обо всех этапах исследования и посмотреть сам аппарат.

Сканирование может занимать определенное время, в нашем случае оно длилось около 20 минут. Вторые 10 (или все 19) тянулись бесконечно долго — ведь шевелиться нельзя, а очень хочется. «Хьюстон, у нас проблемы», — засело в голове в момент, когда по нарастающей начал чесаться нос (а это случилось, когда я подумал: «Главное, чтобы не зачесался нос»). Но легкий ветерок из вентилятора где-то над головой помог продержаться неподвижно до конца процедуры.

Делать в туннеле ровным счетом нечего — смотреть некуда, так как почти перед носом находится катушка (?), похожая на удерживающее устройство. Остается прикрыть глаза и слушать «магнитно-резонансную музыку»: система, собирая данные, гудит и «поет» в разной тональности, но всегда ритмично (на самом деле это сверхбыстрые вибрации). Иногда она замолкает, и ты думаешь: «Все, закончилось». Но пауза, которая требуется на донастройку системы, проходит, и ритм стартует заново. Говорят, некоторые умудряются заснуть в процессе — таким можно только позавидовать.

К слову, звучание томографа зависит от задействованных типов катушек и текущей программы.

«Выехав» из туннеля, хочется вскочить и идти — из-за неподвижного положения и громкого звука возникает короткое чувство дезориентации. Главное, не торопиться (да вам и не позволят).

После всего пережитого появилось желание сделать как в кино — подойти к томографу с пистолетом (в боевиках такое показывают регулярно). Но оружия под рукой не оказалось, поэтому эксперимент остался мечтой — проверить, примагнитится ли пистолет, не получилось.

---

Как долго может длиться сканирование?

— В центре «Томография» — до двух часов. Это МРТ всего тела с контрастированием. Как уже говорилось выше, в таких случаях мы разбиваем исследование на части.

Меньше всего времени тратится на исследование обычных суставов, например коленных. В стандартной ситуации [без патологий] оно длится не больше 15 минут для одного сустава. Но это время непосредственного нахождения пациента в томографе без учета анализа данных.

Компания Siemens постоянно разрабатывает новое ПО. Оно позволяет сократить время для некоторых видов диагностики. Например, можно ускорить сканирование суставов — до 8 минут, а головного мозга — до 6—10. Однако новые опции в ПО требуют тщательного изучения, проработки и оптимизации существующих протоколов исследования перед внедрением.

Есть ли откровенно сложные для томографа задачи?

— При исследовании брюшной полости, например, и если мы работаем в автоматическом режиме, аппарат подстраивается под движение диафрагмы, считывая данные при определенном ее положении. Это заметно увеличивает время исследования. Процесс можно ускорить, однако пациенту придется задерживать дыхание на 20 секунд много раз. Физически это непросто.

Какие-то ограничения для аппарата при его полной укомплектованности катушками отсутствуют. Мы, к примеру, пока не смотрим сердце и не проводим исследования молочных желез. Но в этом году будут закуплены необходимые компоненты.

Почему нельзя двигаться?

— Когда человек двигается, картинка получается размытой. В некоторых случаях, чтобы получить качественное изображение, необходимо подстраивать программу работы томографа. Нам необходимо четко видеть стенки тех же позвонков, структуру — это позволяет определить наличие патологии. Когда человек двигается, теряются даже контуры, диагностика серьезно затрудняется.

При некоторых типах сканирования мелкие и редкие движения не станут проблемой, однако в определенных случаях — когда размытые сканы попали на место с грыжей или иными изменениями — мы вынуждены повторять ту или иную серию для получения четких снимков.

Зубы надо сжимать, чтобы пломбы не вылетели?

— Что касается стоматологических вопросов, то никаких противопоказаний нет. Скорее возникают технические нюансы. Если это исследование головного мозга, артефакт [пломба, штифт] может попасть в зону исследования. Мы тогда выстраиваем программу так, чтобы обойти такие места и получить изображение нужной области.

У пациентов с татуировками, сделанными около 20 лет назад, когда в чернилах было высокое содержание металлов, возможен едва заметный нагрев. Встречаются крайне чувствительные пациенты, они обычно и рассказывают о подобных вещах.

Опасения, как правило, возникают у тех, кто проходит подобную процедуру в первый раз, а также у возрастных пациентов.

---

ПО, катушки

По словам Весты, МРТ позволяет увидеть то, что остается за кадром рентгеновских снимков. На экране рабочей станции врача при этом выведена картинка с переломами позвонка и крестца. «Эта травма на рентгене, сделанном в поликлинике, не видна», — поясняет наша собеседница.

Помимо технической части, непосредственное влияние на процесс диагностики оказывает набор программ для исследований и анализа данных.

Аппарат снимает картинку в трех плоскостях: корональной (вдоль тела спереди назад), сагиттальной (справа налево) и аксиальной (сверху вниз). При необходимости изображение можно визуализировать в 3D-режиме.

Вначале в дело вступает набор программ (или комплекс последовательностей), обеспечивающий получение информации, — собственно, сканирование. Выбор происходит исходя из того, какая область будет изучаться: для головного мозга — свой набор, для суставов — свой и так далее. Кроме того, алгоритмы отличаются и в зависимости от возраста пациента.

В автоматическом режиме после получения данных информация передается на рабочую станцию врача. Он, «вооруженный» своим софтом, просматривает результаты, при необходимости корректирует их и работает с изображением, позволяющим увидеть всю картину в целом или ее детали, то есть перед специалистом находится точная виртуальная модель (или карта) исследуемой области, органа.

Существуют узкоспециализированные наборы программ, к которым относится, например, алгоритм перфузии. Чаще он используется при возникновении опухолей, в частности, головного мозга, предоставляя информацию, которая позволяет определить степень злокачественности.

Конечно, не весь софт будет одинаково востребован. «Например, такие исследования, как трактография (выстраивание связей нейронов в головном мозге вплоть до мельчайших клеток — получается красивая цветная объемная картинка) или функциональная МРТ, которая подсвечивает зоны мозга, задействованные при определенных движениях, интересны, но используются в основном для диагностики сложных и редких заболеваний ЦНС», — поясняет Веста.

Считается, что МРТ может заменить некоторые болезненные или вредные процедуры диагностических исследований. Конкретный пример — маммография, к которой приходится прибегать, когда УЗИ сделать нельзя по ряду факторов, в том числе из-за возрастного. Метод высокоинформативный, но крайне дискомфортный, так как требует серьезной компрессии молочной железы, а при наличии патологии это может быть очень болезненно. «Альтернативой может стать МРТ. В настоящее время в Европе МР-сканирование молочных желез вытесняет из обихода врачей-маммологов маммографию. У этого метода огромные преимущества и большие перспективы», — отмечает собеседница.

«Раньше преимущественно использовалась компьютерная томография с контрастом — это колоссальная доза облучения. А если необходимо сделать такое обследование несколько раз в течение года… Тем более все рентгеновские контрастные вещества достаточно аллергенные», — говорит Веста.

Источник: tech.onliner.by

Принцип действия томографа

Физический феномен, лежащий в основе использования магнитно-резонансной томографии, получил название магнитного резонанса. Суть физического закона заключается в способности ядер некоторый химических элементов, из которых состоит человеческое тело, менять свой энергетический потенциал под воздействием интенсивного магнитного поля. Энергия, выделяемая при этом процессе, улавливается и преобразуется томографом в изображение на экране компьютера.

Преимущества МРТ

Магнитная томография позволяет получить объемное изображение исследуемых областей в трех проекциях. Во время проведения процедуры аппарат делает множество снимков-срезов, толщина которых может устанавливаться индивидуально и обычно составляет 2-4 мм.

Снимки, полученные с помощью томографа

Получение большого количества срезов позволяет исследовать весь орган целиком, и обнаружить даже малейшие нарушения и патологии.

Какие бывают томографы

Современные магнитные томографы выпускаются в различных вариациях с большим разнообразием характеристик.

Все томографические аппараты делятся на:

• открытые;
• закрытые.

Несмотря на то, что проведение исследования в открытом томографе обычно считается более комфортным для пациента, закрытые аппараты обладают большей мощностью и детальностью. Если пациент не испытывает сильной боязни перед закрытым пространством и не имеет ограничений по весу, рекомендуется проводить исследование в аппарате закрытого типа.

Также томографы подразделяются по силе излучения магнитного поля, единица измерения которого называется Тесла. Магнитные томографы могут быть:

• низкопольными – мощностью до 1,0 Т;
• высокопольными – сила излучения выше 1,0 Т.

Низкопольные томографы не дают четкой и детальной картины. Исследование на высокопольном томографе позволит рассмотреть диагностируемую область с высочайшей точностью.

Современный высокопольный томограф

В клинике «ДиМагнит» установлен томограф закрытого типа фирмы Philips, мощность которого составляет 1,5 Тесла. С помощью аппарата возможно получить изображения высочайшего качества и детальности.

Стоит ли бояться процедуры

Некоторые пациенты волнуются перед проведением исследования. Но их опасения напрасны — магнитно-резонансная томография проходит абсолютно безболезненно, а воздействие магнитного излучения на организм безопасно.

В отличие от других видов лучевой диагностики, для проведения МРТ не применяется ионизирующее излучение. Магнитное поле не оказывает канцерогенного и мутагенного воздействия на клетки организма. Проводить магнитно-резонансное сканирование можно так часто, как это требуется.

Отличие МРТ от КТ и УЗИ

Магнитно-резонансная диагностика имеет целый ряд преимуществ по сравнению с УЗИ и компьютерной томографией.

Ультразвуковое исследование позволяет получить двухмерное изображение исследуемой зоны, но не позволяет увидеть объемное изображение мягких структур.

Компьютерная томография по четкости изображения может сравниться с МРТ, но имеет ряд серьезных противопоказаний. КТ чаще применяется для визуализации полых органов и костных структур, тогда как МРТ намного эффективнее при визуализации мягких тканей.

Что показывает МРТ

Магнитно-резонансная томография с успехом применяется для диагностики заболеваний:

• щитовидной железы;
• печени;
• желчного пузыря и протоков;
• поджелудочной железы;
• почек;
• селезенки;
• суставов;
• спинного мозга;
• сосудов головы, шеи, брюшной области;
• органов малого таза;
• мягких тканей;
• и т.д.

Все вышеописанные анатомические структуры отлично визуализируются на МР-снимках. Результаты диагностики позволяют с высокой точностью выявить отклонения в работе исследуемых органов.

В каких случаях назначают МРТ

Широкие возможности магнитно-резонансной диагностики делают ее применение незаменимым в случае:

• необходимости постановки первичного диагноза;
• проведения комплексного обследования;
• подготовке к хирургическому вмешательству;
• отслеживания эффективности применяемой терапии и методов лечения.

В каждом отдельно взятом случае выбор диагностической методики осуществляется лечащим врачом. Магнитно-резонансная томография чаще других методов применяется для выявления заболеваний и травм мягких тканей.

Методика МРТ незаменима для диагностики:

• Новообразований.

Магнитно-резонансное сканирование способно четко выявить границы и размеры опухоли и степень ее прорастания в мягкие ткани. Ни одна другая методика лучевой диагностики не способна дать такую четкую и детализированную картину заболеваний.

МРТ также дает возможность с большой долей вероятности определить характер опухоли. Злокачественные новообразования имеют нечеткие границы и прорастают в окружающие ткани. Доброкачественные новообразования, как правило, четко дифференцированы от здоровых тканей.

• Заболеваний головного мозга.

Большая точность магнитно-резонансной диагностики позволяет визуализировать такие небольшие по размеру анатомические структуры, как гипофиз и турецкое седло. Также МРТ с контрастированием головного мозга показывает имеет высокую эффективность для диагностики демиелинизирующих заболеваний (рассеянный склероз, болезнь Паркинсона и др.), так как позволяет четко увидеть строение измененных нервных тканей.

Изображение мозга, полученное с помощью МРТ головного мозга с контрастом, отличается особой четкостью, так как магнитные волны плохо отображают твердые анатомические структуры, и на снимках мозга отсутствуют артефакты от костей черепа.

• Заболеваний межпозвонковых дисков.

МР-снимки позвоночника

Магнитно-резонансное исследование — единственный метод диагностики, позволяющий увидеть межпозвонковые диски. Даже современные методы диагностики, такие как компьютерная томография, позволяют увидеть только пространство между позвонками, тогда как МРТ дает полную картину состояния дисков, возможного наличия грыж и протрузий.

Применение МРТ не ограничивается только вышеуказанными заболеваниями, а используется при необходимости выявления и мониторинга широчайшего ряда патологий, врожденных аномалий развития, последствий травм и перенесенных оперативных вмешательств.

Когда применяется контраст

Магнитно-резонансная диагностика способна обеспечить очень высокую степень четкости полученных изображений. В большинстве случаев применение контраста не требуется.

Но когда речь идет о диагностике опухолей и мелких анатомических структур, контрастное вещество все же может использоваться.

Окрашивающие препараты изготавливаются на основе редкоземельного металла гадолиния и вводятся пациенту внутривенно во время проведения МРТ.

Контрастные препараты для МРТ переносятся намного лучше, чем аналогичные лекарственные средства для КТ. Это делает использование окрашивающего вещества безопасным даже для пациентов с патологией почек и не требует предварительного анализа на креатинин, который необходим при КТ-диагностике с контрастом.

МРТ с контрастированием применяется в случаях:

• подозрения на новообразование;
• необходимости дифференциальной диагностики злокачественной опухоли;
• исследовании гипофиза;
• необходимости диагностировать демиелинизирующие заболевания.

Использование контраста позволяет получить исчерпывающую картину заболевания, его течения и эффективности применяемого терапии.

Противопоказания к МРТ

Несмотря на то, что магнитно-резонансная диагностика является безопасной методикой, исследование имеет ряд абсолютных противопоказаний, при наличии которых проводить диагностику запрещено:

• наличие кардиостимулятора, нейростимулятора, инсулиновой помпы;
• сосудистые клипсы на артериях головного мозга;
• неспособность пациента сохранять неподвижное положение в силу различных причин;
• ранний детский возраст до 5 лет;
• вес пациента больше 130 кг и обхват тела более 150 см;
• первый триместр беременности;

Существует также ряд состояний, при которых МР-исследование проводится с осторожностью:

• выраженный болевой синдром, при котором пациентам сложно находиться в неподвижном положении долгое время;
• боязнь замкнутого пространства;
• психические отклонения;
• второй и третий триместр беременности.

Наличие в теле пациента различных протезов и имплантатов может являться противопоказанием к проведению МРТ в том случае, если они сделаны из металлов, чувствительных к магнитному излучению. Современные медицинские приспособления чаще всего изготавливаются из титана и других материалов, инертных к воздействию магнитного поля. Их наличие в теле не препятствует проведению МРТ.

Подготовка к МРТ

Проведение МР-диагностики в большинстве случаев не требует от пациента специальной подготовки. В случае проведения магнитно-резонансного сканирования органов живота, забрюшинного пространства и области малого таза, процедуру нужно проводить натощак, воздерживаясь накануне от пищи с большим содержанием клетчатки, алкоголя, а также курения.

Использование контрастного вещества во время процедуры не требует предварительной подготовки или сдачи анализов.

Как долго длится МРТ

Длительность МР-диагностики может быть различной в зависимости от сканируемой зоны:

• коленные суставы — 20 минут;
• головной мозг — 15 минут;
• молочные железы — 30 минут;
• органы брюшной полости — 40-45 минут;
• органы, расположенный в полости малого таза — 40 минут.

Если требуется использование контрастного вещества, то процедура продлится на 15 минут дольше.

Как проходит МРТ

Перед проведением процедуры врач-радиолог опрашивает пациента на предмет наличия противопоказаний к исследованию. Пациента просят снять в себя металлические аксессуары, включая одежду с металлической фурнитурой, и лечь на кушетку, которая затем помещается в трубу томографа.

В время проведения диагностики строго запрещено двигаться, так как это может повлиять на четкость получаемых изображений.

Процедура сканирования

Высокопольные томографы издают достаточно высокий уровень шума, который может доставлять пациентам определенный дискомфорт. В медицинском центре «ДиМагнит» выдаются наушники, в которых будет звучать приятная музыка, заглушающая звуки работающего аппарата.

Томограф сканирует тело пациента в разных проекциях и моментально передает изображения на экран компьютера. Интерпретация результатов врачом-исследователем начинается еще до завершения процедуры.

Получение результатов

Результаты сканирования доступны сразу же по окончании исследования. Множество полученных снимков тщательно исследуются врачом-радиологом, составляется подробное заключение с описанием как нормальной анатомии исследуемой зоны, так и возможных отклонений и патологий.

Спустя 15-30 минут после процедуры пациенту на руки отдаются письменное заключение и компьютерный диск с полученными снимками.

Магнитно-резонансная томография — современный, безопасный вид лучевой диагностики, позволяющий получить точные и быстрые результаты и тщательно изучить исследуемую область. Проведение МРТ помогает выявить множество заболеваний и отклонений даже на начальных этапах их развития.

 

Источник: mrtdon.ru