Rezonans magnetyczny (MRI) - zasada działania

W 1973 r. Amerykański chemik Paul Lauterbur opublikował artykuł w czasopiśmie Nature zatytułowany „Tworzenie obrazu przy użyciu indukowanej interakcji lokalnej; przykłady oparte na rezonansie magnetycznym. ” Później brytyjski fizyk Peter Mansfield zaoferuje bardziej zaawansowany model matematyczny do uzyskiwania obrazu całego organizmu, aw 2003 r. Naukowcy otrzymają Nagrodę Nobla za odkrycie metody MRI w medycynie.

Znaczący wkład w stworzenie nowoczesnego obrazowania rezonansu magnetycznego wniesie amerykański naukowiec Raymond Damadyan, ojciec pierwszego komercyjnego aparatu MRI i autor pracy „Wykrywanie guza za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego”, opublikowanej w 1971 r.

Ale, uczciwie, warto zauważyć, że na długo przed zachodnimi badaczami, w 1960 r. Radziecki naukowiec Władysław Iwanow szczegółowo określił zasady MRI, jednak otrzymał certyfikat autorstwa dopiero w 1984 roku ... Opuśćmy debatę o autorstwie i wreszcie rozważmy ogólne nakreślić zasadę działania urządzenia do obrazowania rezonansu magnetycznego.

W naszych organizmach jest dużo atomów wodoru, a jądrem każdego atomu wodoru jest jeden proton, który można przedstawić jako mały magnes, który istnieje dzięki obecności niezerowego spinu na protonie. Fakt, że jądro atomu wodoru (protonu) ma spin, oznacza, że ​​obraca się wokół swojej osi. Wiadomo również, że jądro wodoru ma dodatni ładunek elektryczny, a ładunek obracający się wraz z zewnętrzną powierzchnią jądra przypomina małą cewkę z prądem. Okazuje się, że każde jądro atomu wodoru jest miniaturowym źródłem pola magnetycznego.

Jeśli teraz wiele jąder atomów wodoru (protonów) zostanie umieszczonych w zewnętrznym polu magnetycznym, zaczną próbować poruszać się po tym polu magnetycznym jak strzały kompasów. Jednak podczas takiej reorientacji jądra zaczną precesować (jako że oś żyroskopu przechodzi przez próbę pochylenia), ponieważ moment magnetyczny każdego jądra jest związany z momentem mechanicznym jądra, z obecnością spinu wspomnianego powyżej.

Załóżmy, że rdzeń wodorowy został umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji 1 T. Częstotliwość precesji w tym przypadku będzie wynosić 42,58 MHz (jest to tak zwana częstotliwość Larmora dla danego jądra i dla danej indukcji pola magnetycznego). A jeśli teraz będziemy mieć dodatkowy wpływ na ten rdzeń za pomocą fali elektromagnetycznej o częstotliwości 42,58 MHz, nastąpi zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego, to znaczy amplituda precesji wzrośnie, ponieważ wektor całkowitej magnetyzacji rdzenia będzie większy.

I jest miliard miliardów takich jąder, które mogą precesować i rezonować. Ale ponieważ momenty magnetyczne wszystkich jąder wodoru i innych substancji w naszym ciele oddziałują ze sobą w zwykłym codziennym życiu, całkowity moment magnetyczny całego ciała wynosi zero.

Działając na protony za pomocą fal radiowych, uzyskują rezonansowe wzmocnienie oscylacji (wzrost amplitud precesji) tych protonów, a po zakończeniu działania zewnętrznego protony mają tendencję do powrotu do początkowych stanów równowagi, a następnie same emitują fotony fal radiowych.

Zatem w urządzeniu MRI ciało osoby (lub jakieś inne badane ciało lub przedmiot) jest okresowo przekształcane w zestaw odbiorników radiowych lub zestaw nadajników radiowych. Badając w ten sposób miejsce po obszarze, aparat konstruuje przestrzenny obraz rozmieszczenia atomów wodoru w ciele.Im wyższa siła pola magnetycznego tomografu - tym więcej atomów wodoru związanych z innymi atomami znajdującymi się w pobliżu można badać (im wyższa rozdzielczość urządzenia do obrazowania rezonansu magnetycznego).

Nowoczesne tomografy medyczne jako źródła zewnętrznego pola magnetycznego zawierają elektromagnesy nadprzewodzącechłodzony ciekłym helem. Używają niektórych tomografów typu otwartego stałe magnesy neodymowe.

Optymalna indukcja pola magnetycznego w urządzeniu MRI wynosi teraz 1,5 T, co pozwala uzyskać dość wysokiej jakości obrazy wielu części ciała. Przy indukcji poniżej 1 T nie będzie możliwe wykonanie wysokiej jakości obrazu (o wystarczająco wysokiej rozdzielczości), na przykład małej miednicy lub jamy brzusznej, ale takie słabe pola są odpowiednie do uzyskania konwencjonalnych obrazów MRI głowy i stawów.

Dla prawidłowej orientacji przestrzennej, oprócz stałego pola magnetycznego, cewka magnetyczna wykorzystuje również cewki gradientowe, które tworzą dodatkowe zaburzenie gradientu w jednolitym polu magnetycznym. W rezultacie najsilniejszy sygnał rezonansowy jest lokalizowany bardziej precyzyjnie w jednej lub drugiej sekcji. Parametry mocy i działania cewek gradientowych - najbardziej znaczące wskaźniki w MRI - od nich zależy rozdzielczość i prędkość tomografu.