Magnetic resonance imaging (MRI) - werkingsprincipe

In 1973 publiceerde een Amerikaanse chemicus, Paul Lauterbur, een artikel in het tijdschrift Nature, getiteld: 'Een afbeelding creëren met behulp van geïnduceerde lokale interactie; voorbeelden op basis van magnetische resonantie. " Later zal de Britse natuurkundige Peter Mansfield een geavanceerder wiskundig model aanbieden voor het verkrijgen van een beeld van een heel organisme, en in 2003 ontvangen onderzoekers de Nobelprijs voor het ontdekken van de MRI-methode in de geneeskunde.

De Amerikaanse wetenschapper Raymond Damadyan, de vader van het eerste commerciële MRI-apparaat en auteur van het werk "Detecting a Tumor using Nuclear Magnetic Resonance", gepubliceerd in 1971, zal een belangrijke bijdrage leveren aan het creëren van moderne magnetische resonantiebeeldvorming.

Maar om eerlijk te zijn, is het vermeldenswaard dat lang voordat westerse onderzoekers, in 1960, de Sovjetwetenschapper Vladislav Ivanov de principes van MRI al in detail uiteen legde, desalniettemin het certificaat van auteurschap pas in 1984 ontving ... Laten we het debat over auteurschap verlaten en eindelijk de algemene beschouwen schets het werkingsprincipe van een magnetische resonantie-imager.

Er zijn veel waterstofatomen in onze organismen, en de kern van elk waterstofatoom is één proton, dat kan worden weergegeven als een kleine magneet, die bestaat door de aanwezigheid van een niet-nul spin op het proton. Het feit dat de kern van een waterstofatoom (proton) een spin heeft, betekent dat deze om zijn as roteert. Het is ook bekend dat de waterstofkern een positieve elektrische lading heeft en de lading die samen met het buitenoppervlak van de kern roteert, is als een kleine spoel met een stroomsterkte. Het blijkt dat elke kern van een waterstofatoom een ​​miniatuurbron van een magnetisch veld is.

Als nu veel kernen van waterstofatomen (protonen) in een extern magnetisch veld worden geplaatst, zullen ze beginnen te proberen door dit magnetische veld te navigeren zoals de pijlen van kompassen. Tijdens een dergelijke heroriëntatie zullen de kernen echter beginnen te preciseren (zoals de gyroscoopas voorafgaat wanneer deze wordt gekanteld), omdat het magnetische moment van elke kern geassocieerd is met het mechanische moment van de kern, met de bovengenoemde spin.

Stel dat een waterstofkern in een extern magnetisch veld werd geplaatst met een inductie van 1 T. De precessiefrequentie is in dit geval 42,58 MHz (dit is de zogenaamde Larmor-frequentie voor een bepaalde kern en voor een gegeven magnetische veldinductie). En als we nu een extra effect op deze kern hebben met een elektromagnetische golf met een frequentie van 42,58 MHz, zal het fenomeen van nucleaire magnetische resonantie optreden, dat wil zeggen dat de precessie-amplitude zal toenemen, omdat de vector van de totale magnetisatie van de kern groter zal worden.

En er zijn een miljard miljarden miljarden van dergelijke kernen die kunnen voorafgaan en resoneren. Maar omdat de magnetische momenten van alle waterstofkernen en andere stoffen in ons lichaam in het gewone dagelijkse leven op elkaar inwerken, is het totale magnetische moment van het hele lichaam nul.

Door te werken op protonen door radiogolven, verkrijgen ze een resonante versterking van de oscillaties (toename van de amplitudes van de precessies) van deze protonen, en na voltooiing van de externe actie, hebben de protonen de neiging terug te keren naar hun initiële evenwichtstoestanden, en dan zenden ze zelf fotonen van radiogolven uit.

Zo wordt in een MRI-apparaat het lichaam van een persoon (of een ander lichaam of object dat wordt bestudeerd) periodiek omgezet in een set radio-ontvangers of een set radiozenders. Op deze manier onderzoekend per plaats, construeert het apparaat een ruimtelijk beeld van de verdeling van waterstofatomen in het lichaam.En hoe hoger de magnetische veldsterkte van de tomograaf - hoe meer waterstofatomen gebonden aan andere atomen in de buurt kunnen worden onderzocht (hoe hoger de resolutie van de magnetische resonantie-imager).

Moderne medische tomografieën als bronnen van een extern magnetisch veld bevatten supergeleidende elektromagnetengekoeld door vloeibaar helium. Sommige open-type tomografen gebruiken permanente neodymiummagneten.

De optimale inductie van het magnetische veld in een MRI-machine is nu 1,5 T, waarmee u afbeeldingen van redelijk hoge kwaliteit van veel delen van het lichaam kunt krijgen. Met een inductie van minder dan 1 T is het niet mogelijk om een ​​beeld van hoge kwaliteit (met een voldoende hoge resolutie) te maken, bijvoorbeeld van het kleine bekken of de buikholte, maar dergelijke zwakke velden zijn geschikt voor het verkrijgen van conventionele MRI-afbeeldingen van het hoofd en de gewrichten.

Voor de juiste ruimtelijke oriëntatie gebruikt een magnetische spoel naast een constant magnetisch veld ook gradiëntspoelen, die een extra gradiëntverstoring creëren in een uniform magnetisch veld. Als een resultaat is het sterkste resonantiesignaal nauwkeuriger gelokaliseerd in een of andere sectie. De kracht- en werkingsparameters van gradiëntspoelen - de belangrijkste indicatoren in MRI - de resolutie en snelheid van de tomograaf hangen ervan af.