ЯМР-томографія

В основі ядсрно-магніто-резонансної гомографії (ЯМР-томографії) лежить явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР), яке було описане в розділі 9. Як виявляється, систе­ма протонів ядра, які знаходяться у зошіішному магнітному полі з індукцією може резонансно поглинати енергію ви­сокочастотного електромагнітного поля з частотою що лежить в радіодіапазоні (частіше за все в НВЧ-діапазоні).

За умовою резонансу (7.26) резонансна частота прямо пропорційна індукції магнітного поля і може змінюватися в досить широких межах. Це явище дає дуже цінну інформацію щодо просторового розподілу ядер в певному об'ємі, що знаходиться у магнітному полі.

На рис. 8.21 наведена блок-схема магнітно-резо­нансного томографа.

Рис. 8.21.Блок-схемаЯМР-томографа: 1 -досліджуваний об'єкт; 2 - котушка (соленоїд); 3 - магніт; 4 - імпульсний генератор; 5 - радіочастотний передавач; 6 - приймач; 7 - комп'ютер.

Спрощений принцип роботи ЯМР-томографа можна пояснити так: на біооб'єкт 1, вміщений в котушку 2 і в магнітне поле 3, діють імпульсами від генератора 4. Ці імпульси через радіочастотний передавач 5 діють на біооб'єкт, в якому внаслідок явища магнітного резонансу протони відгукуються відповідним сигналом, поглинаючи енергію радіочастотного електромагнітного поля. Цей сигнал протонного магнітного резонансу (ПМР), який є частинним випадком ЯМР, вимірюється приймачем 6 і подається на комп'ютер 7, який обробляє сигнал і одно­часно визначає режим роботи генератора радіоімпульсів 4.

Важливими завданнями, пов'язаними з практичною реалізацією метода ЯМР-томографії є: 1) створення необхідної конфігурації магнітного поля; 2) відновлення (візу-алізація) зображення досліджуваного біооб'єкта.

Для вирішення першого завдання досліджуваний об'єкт вміщується в магнітне поле, індукція якого лінійно змінюється в якомусь (одному, двох, а частіше за все - в трьох взаємо перпендикулярних напрямках. В такому випадку говорять про лінійний градієнт магнітного поля, для якого зміна індукції В з координатою х відбувається за законом

(8.43)

де - стала величина, яка характеризує градієнт магнітного поля; - певне значення індукції, що досягається всередині досліджуваного об'єкта (рис. 8.22). Вертикальні лінії умовно зображують витки котушки, через яку пропускається струм, що створює магнітне поле.

Рис 8.22.Конфігурація магнітного поля в методі ЯМР-томографії.

Як відомо (див. розділ 2), добуток сили струму на кількість витків що припадають на одиницю довжини котушки, визначає індукцію на осі такого соленоїда Зрозуміло, що можна накрутити металевий дріт таким чином, щоб кількість витків і відповідно індукція змінювались лінійно вздовж осі х, забезпечуючи тим самим виконання залежності (8.43). Оскільки магнітне поле змінюється в напрямку то на підставі умови резонансу (7.26) буде в цьому напрямку змінюватися і резонансна частота Далі, враховуючи той факт, що площа під кривою поглинання в спектрі ПМР визначає кількість протонів, що входять до складу ядер певних хімічних елементів, можна отримати просторовий розподіл густини протонів (тобто атомних ядер) вздовж осі Таким спосо­бом отримують одновимірну проекцію біооб'єкта.

Вирішення другого завдання - відновлення об'ємного зображення - стало можливим завдяки роботам П. Лаутер-бурга та інших вчених, які використали для цього так званий метод відновлення за проекціями. Суть цього методу полягає в отриманні багатьох одновимірних проекцій досліджуваного об'єкта. Це досягається зміною напрямку градієнта індукції магнітного поля за рахунок зміни сили струму в трьох взаємо перпендикулярних котушках (соле­ноїдах). На відміну від рентгенівської томографії такий метод дає змогу виключити механічні переміщення дослід­жуваного біооб'єкта або апаратурних частин томографа.

Ще одна особливість методу комп'ютерної томографії полягає у можливості отримання інформації (зображень) від тонких шарів тривимірного біооб'єкта. В методі ЯМР-томо­графії це досягається двома способами:

1) за рахунок використання спеціальної математичної обробки зображень (зокрема, так званого перетворення Родона і тривимірних Фур'є-перетворень);

2) за рахунок вибіркового (селективного) збудження тонкого шару біооб'єкта.

Слід зазначити, що на сигнал (точніше кажучи, на співвідношення сигнал-шум) в ЯМР-томограмах впливає не тільки густина протонів, а й ціла низка внутрішніх та зовнішніх факторів (температура, склад тканин, діамагнітні, парамагнітні та феромагнітні домішки, параметри апарату­ри, специфічні особливості комп'ютерних програм тощо). Змінюючи ці фактори (наприклад, параметри послідовності радіочастотних імпульсів), можна досягти суттєвого покра­щання контрасту зображення в методі ЯМР-томографії. Цей метод знаходить дедалі ширше застосування в медицині завдяки таким його перевагам, як відсутність дозових навантажень (порівняно з рентгенівськими томографами) та можливість отримання контрастних зображень з метою ефективності діагностики різних патологій.