Методы получения ЯМР- изображений

В методе реконструкции по проекциям на пространственно однородную составляющую магнитного поля В00=const накладывается постоянный градиент Gx = const ? 0, Gy = Gz = 0. Таким образом, результирующее поле линейно возрастает в направлении оси х, а условие ЯМР на частоте РЧ поля w имеет вид

w = w0(x’ ) º g(B00 + Gxx’ ).

Это условие выполняется только в плоском слое толщиной Dx, перпендикулярном к оси х (рис. 3.20).

Сигнал ЯМР на частоте w создают ядра, находящиеся в этом слое, а зависимость амплитуды сигнала от w (или от В00), определяет одномерную проекцию функции r(х, у, z) на направление х. Чтобы найти распределение ядер в плоскости х,у, этот эксперимент многократно повторяют, каждый раз поворачивая направление градиента поля или образец вокруг оси z на некоторый угол.

Рис. 3.20. Выделение слоя, дающего сигнал ЯМР на частоте w при наличии градиента магнитного поля Gx. Внизу – распределение частот ЯМР в образце вдоль оси х

Из найденного таким образом набора одномерных проекций можно с помощью ЭВМ, пользуясь алгоритмами, рассмотренными в предыдущем разделе, построить двумерную проекцию объекта на плоскость х,у.

Примеры изображений, полученных методом реконструкции по проекциям, приведены на рис. 3.21 (получены на серийном аппарате Magnetom SP фирмы “Siemens”).

Для того чтобы устранить потери времени, связанные с многократными поворотами образца или градиента поля при получении проекций, был разработан метод Фурье-интроскопии, в котором ограничиваются тремя последовательными ориентациями градиента B0 (вдоль осей х,у,z), причем все три переключения по этим направлениям проводятся в течение одного спада ССИ, следующего за p/2-импульсом.

а)

б)

Рис.

Последовательность операций в этом методе изображена на рис. 3.22. Сразу после окончания p/2-импульса (в момент t = 0) на образец накладывается градиент магнитного поля Gx, который спустя время tx скачком изменяется на Gy, а спустя еще время ty — на Gz, и в этих условиях наблюдается сигнал свободной индукции как функция времени tz.

Рис. 3.22. Последовательность включения взаимно ортогональных градиентов магнитного поля Gx, Gy, Gz (вверху) и наблюдаемый сигнал спада свободной индукции S(t) (внизу) в методе Фурье-интроскопии

Ядерные спины, расположенные в элементе объема DxDyDz с координатами x, у, z, прецессируют вокруг направления В0 последовательно с угловыми скоростями w0+gGxx, w0+gGyy и w0+gGzz, так что огибающая сигнала ССИ от всего образца в момент времени t = tx + ty + tz имеет вид

(3.36)

Выражение (3.36) представляет собой трехмерный Фурье-образ спиновой плотности в функции от ларморовых частот wx=gGxx, wy=gGyy и wz=gGzz, однозначно связанных с координатами.

На практике сигналы ССИ измеряют сначала в функции от tz (при tx, ty = const), a затем многократно повторяют измерения, последовательно изменяя tx и ty. Полученный таким образом набор значений функции S(t) подвергают трехмерному Фурье-преобразованию и находят функцию r(x,у,z), т. е. ЯМР- изображение исследуемого объекта.

Удобство этого метода состоит в том, что вместо сложного алгоритма реконструкции по проекциям здесь выполняется последовательность преобразований Фурье.

Оба описанных метода — реконструкция по проекциям и Фурье-интроскопия — по структуре регистрируемой информации относятся к интегральным. Сигналы ЯМР содержат информацию одновременно о многих элементах объема образца, а сведения о каждом из них в отдельности получаются после математической обработки результатов.

В селективных методах поступающий на приемное устройство сигнал в каждый момент собирается с единственного элемента объема, положение которого затем изменяется по всему образцу согласно заданному правилу. Изображение строится точка за точкой и строка за строкой, как это делается при образовании телевизионного растра.

Способы выделения малых элементов объема могут быть различными: магнитная фокусировка, периодическая модуляция или импульсные переключения градиентов поля.

Принцип магнитной фокусировки состоит в концентрации постоянного или резонансного высокочастотного магнитных полей в пределах того элемента объема, за которым ведется наблюдение. Разрешающая способность при такой методике слишком низка, и она не применяется для исследования биологических объектов.

Можно создать такую конфигурацию магнитного поля В0, при которой в относительно небольшом объеме оно будет более однородным, чем в остальных частях образца. Спектр сигнала ЯМР от ядер, содержащихся в этом объеме, будет более узким, а его амплитуда большей, чем от ядер, расположенных в соседних областях. Если, кроме того, применить специальную конструкцию радиочастотной катушки, также обеспечивающей некоторую концентрацию РЧ-поля в выделенной области, можно добиться желаемого пространственного разрешения порядка 1 мм.

Таким способом было получено первое ЯМР-изображение злокачественной опухоли, имплантированной живой мыши. Контраст возникает здесь из-за того, что время ядерной спин-решеточной релаксации в пораженных раковой опухолью тканях существенно больше, чем в здоровых.

Достоинством метода магнитной фокусировки является возможность выборочно изучать любую часть исследуемого объекта, например только тот орган, который вызывает подозрения. Основным недостатком метода являются низкая чувствительность и сложность фокусировки магнитного поля.

Другой метод, доведенный до медико-биологических приложений - метод чувствительной точки. Суть метода состоит в том, что весь образец за исключением одного малого элемента объема — «чувствительной точки» — подвергается действию переменного магнитного поля звуковой частоты. В этих условиях производится синхронное детектирование сигнала ЯМР на частоте w0, соответствующей значению поля B0 в чувствительной точке. Постоянная составляющая выходного сигнала содержит лишь вклад от ядер, расположенных в области чувствительной точки, поскольку спектр ЯМР от остальной части образца оказывается модулированным по частоте.

После регистрации этого сигнала чувствительная точка (в общем случае - чувствительная линия) смещается на небольшое расстояние в плоскости изображаемого сечения, процедура повторяется до получения требуемой томограммы.

Несомненными преимуществами метода являются его относительная простота и менее жесткие требования к однородности величин градиентов, чем в других методах.