Физические основы МРТ-исследования
Ядра некоторых элементов, имеющих нечетное количество протонов и нейтронов, обладают магнитным моментом (спином), т. е. обладают способностью вращаться вокруг оси и в магнитном поле сами ведут себя как «микромагниты».
В группу этих элементов входят протоны — ядра атомов водорода, в большом количестве содержащиеся в тканях живых организмов. При помещении биологического объекта в магнитное поле протоны намагничиваются и ориентируются по силовым линиям внешнего поля. При выполнении определенных условий (совпадение частоты приема и передачи) протоны приобретают способность поглощать энергию внешнего источника (в виде радиочастоты), а затем, излучая энергию, возвращаться на исходный энергетический уровень.Магнитно-резонансная томография основана на регистрации электромагнитного излучения, поступающего от протонов после их возбуждения радиочастотными импульсами в постоянном магнитном поле. Излучение протонами энергии в виде разночастотных электромагнитных колебаний происходит параллельно с процессом релаксации — возвращением протонов в исходное состояние. Регистрация этих колебаний специальными приемниками (катушками), перевод в цифровую форму позволяют формировать послойные изображения и воспроизводить их на экране телемонитора и делать твердые копии на рентгеновской пленке. Контрастность изображения тканей на томограммах зависит от времени, необходимого для релаксации протонов, а точнее от двух его компонентов: Т2 — времени поперечной или спин-спиновой релаксации и Т1 — времени продольной или спин-решеточной релаксации. При этом известно, что Т1 длиннее Т2 примерно в 2, 5, 10 раз. В абсолютных значениях для биологических тканей это означает, что Т1 составляет около 300-2000 мс, а Т2 — 30-150 мс.
Для удобства принято рассматривать движение от магнитных моментов отдельных ядер и суммарного вектора намагниченности в трехмерной системе координат.
Направление z-координатной оси совпадает с направлением силовых линий внешнего магнитного поля, ось z перпендикулярна к поперечной плоскости xy. Если протоны находятся в невозбужденном состоянии, то вектор объемной намагниченности М сонаправлен с осью z и М = Mz. При воздействии на протоны радиочастотным импульсом вектор объемной намагниченности отклоняется от оси z и переходит в плоскость xy. Радиочастотный импульс, вызывающий такое изменение направленности, называется 90-градусным импульсом. Более мощный импульс может инвертировать и повернуть М против направления оси z. Такой импульс называется 180-градусным. Сразу по прекращении действия радиочастотного импульса начинается процесс восстановления первоначальной объемной намагниченности, т. е. возвращение протонов в невозбужденное состояние.Выбирая параметры сканирования, которые будут получены путем изменения подачи радиочастотных импульсов, можно влиять на контрастность изображения. Поскольку возбуждение протонов должно происходить много раз, каскад радиочастотных импульсов получил название импульсной последовательности. В зависимости от целей исследования при изменении параметров импульсной последовательности получают изображения с преимущественной зависимостью контрастности от Т1, Т2 релаксационного времени или от протонной плотности. Импульсные последовательности, позволяющие получить томограммы с преимущественной зависимостью от Т1 релаксационного времени (так называемые томограммы, взвешенные по Т1), называются «насыщение-восстановление» (saturation гесоѵегу — SR) и «инверсия-восстановление» (inversion гесоѵегу — IR). Эти импульсные последовательности отличаются друг от друга тем, какой импульс — 90- или 180-градусный — подается первым.
Применение импульсной последовательности «спиновое эхо» (spin-ecto — SE) дает возможность получать томограммы с большой зависимостью от Т2 релаксационного времени. При укорочении времени повторения (time repetition — TR) каскадов радиочастотных импульсов эхо-времени (time echo — TE — временной интервал между 90- и 180-градусными импульсами) томограммы SE отражают изменение преимущественно Т1 релаксационного времени.
Описанные импульсные последовательности — «насыщение-восстановление» (SR), спиновое эхо (SE) и «инверсия-восстановление» (IR) нашли наиболее широкое применение в МРТ.
При исследовании органа зрения используется STIR (shot T1 inversion Recovery) — Turbo-IR — последовательности с коротким временем инверсии (160 мс). При ее использовании в короткий временной интервал подавляется жировая ткань и появляется дополнительная Т1-контрастность, что, в свою очередь, улучшает визуализацию патологических образований. Использование этой же последовательности, но с длинным T1 (2500 мс), получившее название dark fluid — «темная жидкость», позволяет более отчетливо визуализировать участки отека и кровоизлияний.
В последние годы разработаны и нашли клиническое применение новые импульсные последовательности, которые получили название flash (fast low angle shot) и, еще более быстрые, — turbo flash. Общим для этих импульсных последовательностей является использование радиочастотных импульсов, отклоняющих вектор объемной намагниченности на угол, меньший 90°, например, на 20 или 40°. Поэтому возвращение протонов в равновесное состояние происходит более быстро, что дает возможность значительно сократить процесс сканирования. Другие последовательности основаны на получении так называемого градиентного эха, т. е. эхо-сигнал регистрируется после воздействия на спиновую систему градиентных магнитных полей.
Кроме этого, весьма перспективно использование комбинации последовательностей градиент-эхо и спин-эхо. При этом перед и после каждого спинэха создается дополнительное градиент-эхо, что повышает чувствительность к магнитной восприимчивости по сравнению с turbo SE и облегчает выявление небольших кровоизлияний.
Особое место в изложении методических основ МРТ занимает рассмотрение вопроса о применении контрастных веществ, так как, несмотря на хороший мягкотканный контраст, присущий МРТ, ряд диагностических проблем, связанных с ее использованием, привел к созданию контрастных средств.
Эффект усиления при МРТ связан с использованием препаратов, время релаксации у которых иное, чем у биосубстратов, органов и тканей человека. Поэтому сосуды, а также ткани, накапливающие контрастное вещество, визуализируются на МР-томограммах более четко.
Большинство из этих препаратов являются парамагнитными контрастными средствами, оказывающими контрастирующий эффект за счет центрально расположенного иона металла с неспаренными электронами. Наиболее высокой способностью изменять время релаксации обладает гадолиний, имеющий семь неспаренных электронов и относительно длинное время электронной спиновой релаксации. Парамагнитные препараты имеют короткое времени релаксации как Т1, так и Т2, но поскольку обычное время Т1 гораздо длиннее, чем Т2, то в низких дозах эти препараты оказывают контрастирующий эффект преимущественно за счет изменения Т1. Поэтому области с повышенным накоплением таких препаратов будут на Т1-взвешенных изображениях выглядеть яркими.В офтальмологии парамагнитные контрастные препараты используются для выявления различных патологических образований. После внутривенного введения отмечается изменение Т1-релаксации, что наглядно выявляется на Т1-взвешенных изображениях. Скорость и степень увеличения интенсивности МР-сигнала зависят от размеров повреждения, а также от степени васкуляризации исследуемой области и патологического образования.
В настоящее время известны четыре парамагнитных контрастных вещества, состоящие из хелатных комплексов иона гадолиния с низким молекулярным весом.
Магневист (Gd-DTPA) и дотарем (Gd-DOTA) являются ионными, а омнискан (Gd-DTPA-BMA — структурный аналог Gd-DTPA) и проханс (Gd-HP- DO3A) — неионными контрастными препаратами. Последние обладают высоким контрастирующим эффектом и низкой токсичностью.
Благодаря проникновению контрастных веществ в органы и ткани удается повысить возможности их визуализации за счет отличного от нативной ткани времени релаксации, присущего контрастному препарату.