Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит. Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул. Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Открытие

ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. Они заметили, что ядра 1 H и 31 P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте. Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.

Спин и магнитные свойства

Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m. Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные - ненулевой. Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I , где γ - гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.

Магнитный момент ядра заставляет его вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом. Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В 0 , что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B 0 , а с высокой - в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов. Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.

Энергетические уровни

Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней. Для ядра со спином 1/2 их только 2 - низкий, занимаемый спинами, выровненными с B 0 , и высокий, занятый спинами, направленными против В 0 . Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ 0 , где m - магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.

Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ 0 , где ℏ - постоянная Планка.

Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.

Энергопереходы

Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни. Для большинства ЯМР-спектрометров В 0 имеет порядок 1 Тесла (Т ), а γ - 10 7 . Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 10 7 Гц. Энергия фотона представлена формулой Е = hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ 0 /2π.

Ядерное экранирование

Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием. Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР. Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер. Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр.

Релаксация

Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках. Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.

Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.

Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T 1 , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T 1 . В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T 2 . Оно может быть меньшим или равным T 1 .

Ядерный магнитный резонанс и его применение

Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, - это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.

Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом , используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации. В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.

МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем. ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.

Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике

Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля. МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани. Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном. При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.

Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид , который пациенты принимают перед процедурой. Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ. Наиболее перспективным является использование параводорода - формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.

Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей. Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах. Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.

Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости. Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение. МРТ в значительной степени вытеснила артрографию , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.

Применение в химии

Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений. В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами. Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1 H и 13 C, но подходит и множество других, таких как 2 H, 3 He , 15 N, 19 F и т. д.

Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии. С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа . Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне. Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.

Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул .
Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов .
Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей .
Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
Метаболический анализ.
Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.

Другие применения

Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры. Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей. Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – современная неинвазивная методика, позволяющая визуализировать внутренние структуры организма. Основана на эффекте ядерного магнитного резонанса – реакции атомных ядер на воздействие электромагнитными волнами в магнитном поле. Дает возможность получить трехмерное изображение любых тканей человеческого тела. Широко применяется в различных сферах медицины: гастроэнтерологии, пульмонологии, кардиологии, неврологии, отоларингологии, маммологии, гинекологии и т. д. Благодаря высокой информативности, безопасности и приемлемой цене МРТ в Москве занимает ведущие позиции в списке методик, используемых для диагностики заболеваний и патологических состояний различных органов и систем.

История исследования

Датой создания МРТ традиционно считают 1973 год, когда американский физик и радиолог П. Лотербур опубликовал статью, посвященную этой тематике. Однако история МРТ началась намного раньше. В 40-х годах ХХ американцы Ф. Блох и Р. Пурселл независимо друг от друга описали явление ядерно-магнитного резонанса. В начале 50-х оба ученых получили Нобелевскую премию за свои открытия в области физики. В 1960 году советский военный подал заявку на патент, в котором описывался аналог МРТ-аппарата, однако заявка была отклонена «за нереализуемостью».

После публикации статьи Лотербура МРТ начала бурно развиваться. Чуть позже П. Мэнсфилд провел работу по усовершенствованию алгоритмов получения изображения. В 1977 году американский ученый Р. Дамадьян создал первый прибор для МРТ-исследований и провел его испытания. В американских клиниках первые аппараты МРТ появились в 80-х годах прошлого века. К началу 90-х годов в мире насчитывалось уже около 6 тысяч таких приборов.

В настоящее время МРТ является медицинской методикой, без которой невозможно представить современную диагностику болезней органов брюшной полости, суставов, головного мозга, сосудов, позвоночника, спинного мозга, почек, забрюшинного пространства, женских половых органов и других анатомических структур. МРТ позволяет выявлять даже незначительные изменения, характерные для ранних стадий заболеваний, оценивать структуру органов, измерять скорость кровотока, определять активность различных отделов головного мозга, осуществлять точную локализацию патологических очагов и т. п.

Принципы визуализации

В основе МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса. Ядра химических элементов представляют собой своеобразные магниты, которые быстро вращаются вокруг своей оси. При попадании во внешнее магнитное поле оси вращения ядер определенным образом сдвигаются, ядра начинают вращаться в соответствии с направлением силовых линий этого поля. Это явление называется процессией. При облучении радиоволнами определенной частоты (совпадающей с частотой процессии) ядра поглощают энергию радиоволн.

При прекращении облучения ядра переходят в свое нормальное состояние, поглощенная энергия высвобождается, создавая электромагнитные колебания, регистрируемые при помощи специального прибора. Аппарат МРТ регистрирует энергию, высвобождаемую ядрами атомов водорода. Это позволяет выявлять любые изменения концентрации воды в тканях организма и, таким образом, получать изображения практически любых органов. Определенные ограничения при проведении МРТ возникают при попытке визуализировать ткани с незначительным содержанием воды (кости, бронхоальвеолярные структуры) – в подобных случаях изображения получаются недостаточно информативными.

Виды МРТ

С учетом исследуемой области можно выделить следующие разновидности МРТ:

МРТ головы (головного мозга, гипофиза и околоносовых пазух).
МРТ органов грудной клетки (легких и сердца).
МРТ брюшной полости и забрюшинного пространства (поджелудочной железы, печени, желчевыводящих путей, почек, надпочечников и других органов, расположенных в данной области).
МРТ органов малого таза (мочевыводящих путей, предстательной железы и женских половых органов).
МРТ опорно-двигательного аппарата (позвоночника, костей и суставов).
МРТ мягких тканей , в том числе – молочных желез, мягких тканей шеи (слюнных желез, щитовидной железы, гортани, лимфоузлов и других структур), мышц и жировой клетчатки различных областей человеческого тела.
МРТ сосудов (сосудов головного мозга, сосудов конечностей, мезентериальных сосудов и лимфатической системы).
МРТ всего тела . Обычно используется на этапе диагностического поиска при подозрении на метастатическое поражение различных органов и систем.

МРТ может проводиться как без использования, так и с использованием контрастного вещества. Кроме того, существуют специальные методики, позволяющие оценивать температуру тканей, движение внутриклеточной жидкости, функциональную активность участков головного мозга, отвечающих за речь, движения, зрение, память.

Показания

МРТ в Москве обычно применяют на заключительном этапе диагностики, после проведения рентгенографии и других диагностических исследований первой линии. МРТ используют для уточнения диагноза, дифференциальной диагностики, точной оценки тяжести и распространенности патологических изменений, подготовки плана консервативной терапии, определения необходимости и объема хирургического вмешательства, а также динамического наблюдения в процессе лечения и в отдаленном периоде.

МРТ головы назначают для изучения костей, поверхностных мягких тканей и внутричерепных структур. Методику применяют для выявления патологических изменений головного мозга, гипофиза, внутричерепных сосудов и нервов, ЛОР-органов, околоносовых пазух и мягких тканей головы. МРТ используется в процессе диагностики врожденных аномалий, воспалительных процессов, первичных и вторичных онкологических поражений, травматических повреждений, заболеваний внутреннего уха, патологии глаз и пр. Процедура может проводиться с контрастированием и без контрастирования.

МРТ органов грудной клетки применяют в ходе исследования структуры сердца, легких, трахеи, крупных сосудов и бронхов, плевральной полости, пищевода, вилочковой железы и лимфоузлов средостения. Показанием к МРТ являются поражения миокарда и перикарда, сосудистые расстройства, воспалительные процессы, кисты и опухоли органов грудной клетки и средостения. МРТ может проводиться с использованием или без использования контрастного препарата. Малоинформативна при исследовании альвеолярной ткани.

МРТ брюшной полости и забрюшинного пространства назначают для изучения структуры поджелудочной железы, печени, желчевыводящих путей, кишечника, селезенки, почек, надпочечников, мезентериальных сосудов, лимфоузлов и других структур. Показанием к проведению МРТ являются аномалии развития, воспалительные заболевания, травматические повреждения, желчнокаменная болезнь , мочекаменная болезнь , первичные опухоли, метастатические новообразования, другие заболевания и патологические состояния.

МРТ малого таза применяют при исследовании прямой кишки, мочеточников, мочевого пузыря, лимфоузлов, внутритазовой клетчатки, предстательной железы у мужчин, яичников, матки и маточных труб у женщин. Показанием к проведению исследования являются пороки развития, травматические повреждения, воспалительные заболевания, объемные процессы, камни в мочевом пузыре и мочеточниках. МРТ не предусматривает лучевой нагрузки на организм, поэтому может использоваться для диагностики болезней репродуктивной системы даже в период гестации.

МРТ опорно-двигательного аппарата назначают при изучении костных и хрящевых структур, мышц, связок, суставных капсул и синовиальных оболочек различных анатомических зон, в том числе – суставов, костей, определенного отдела позвоночного столба или всего позвоночника. МРТ позволяет диагностировать широкий спектр аномалий развития, травматических повреждений, дегенеративно-дистрофических заболеваний, а также доброкачественных и злокачественных поражений костей и суставов.

МРТ сосудов применяют при изучении сосудов головного мозга, периферических сосудов, сосудов, участвующих в кровоснабжении внутренних органов, а также лимфатической системы. МРТ показана при пороках развития, травматических повреждениях, острых и хронических нарушениях мозгового кровообращения, аневризмах, лимфедеме , тромбозе и атеросклеротическом поражении сосудов конечностей и внутренних органов.

Противопоказания

В качестве абсолютных противопоказаний к проведению МРТ в Москве рассматривают кардиостимуляторы и другие имплантированные электронные устройства, крупные металлические импланты и аппараты Илизарова. В список относительных противопоказаний к МРТ включают протезы сердечных клапанов, неметаллические импланты среднего уха, кохлеарные импланты, инсулиновые насосы и татуировки с использованием ферромагнитных красителей. Кроме того, относительными противопоказаниями к проведению МРТ являются первый триместр беременности, клаустрофобия , декомпенсированные болезни сердца, общее тяжелое состояние, двигательное возбуждение и неспособность больного выполнять указания врача, обусловленные нарушениями сознания или психическими расстройствами .

МРТ с контрастированием противопоказано при аллергии на контрастное вещество, хронической почечной недостаточности и анемии. МРТ с использованием контрастного вещества не назначают в период гестации. В период лактации пациентку просят заранее сцедить молоко и воздерживаться от кормления в течение 2 дней после проведения исследования (до окончания вывода контраста из организма). Наличие титановых имплантов не является противопоказанием для любых видов МРТ, поскольку титан не обладает ферромагнитными свойствами. Методику также можно использовать при наличии внутриматочной спирали.

Подготовка к МРТ

Большинство исследований не требуют специальной подготовки. В течение нескольких дней до проведения МРТ малого таза следует воздержаться от употребления газообразующих продуктов. Для уменьшения количества газа в кишечнике можно использовать активированный уголь и другие аналогичные препараты. Некоторым пациентам показана клизма или прием слабительных средств (по указанию врача). Незадолго до начала исследования необходимо опорожнить мочевой пузырь.

При проведении любых видов МРТ нужно предоставить врачу результаты других исследований (рентгенографии, УЗИ, КТ, лабораторных анализов). Перед началом МРТ следует снять с себя одежду с металлическими элементами и все металлические предметы: заколки, драгоценности, часы, зубные протезы и пр. При наличии металлических имплантов и вживленных электронных устройств необходимо сообщить специалисту об их виде и расположении.

Методика проведения

Пациента укладывают на специальный стол, задвигающийся в тоннель томографа. При МРТ с контрастированием в вену предварительно вводят контрастное вещество. На протяжении всего исследования больной может контактировать с врачом при помощи микрофона, установленного внутри томографа. При проведении процедуры аппарат МРТ создает незначительный шум. По окончании исследования пациента просят подождать, пока врач изучит полученные данные, поскольку в некоторых случаях для создания более полной картины могут потребоваться дополнительные снимки. Затем специалист готовит заключение и передает его лечащему врачу или выдает на руки больному.

Стоимость магнитно-резонансной томографии в Москве

Цена диагностической процедуры зависит от исследуемой области, необходимости контрастирования и применения специальных дополнительных методик, технических характеристик оборудования и некоторых других факторов. Наиболее существенное влияние на цену магнитно-резонансной томографии в Москве оказывает необходимость введения контраста – при использовании контрастного препарата суммарные расходы пациента могут увеличиваться почти вдвое. Стоимость сканирования также может колебаться в зависимости от организационно-правового статуса клиники (частная или государственная), уровня и репутации медицинского учреждения, квалификации специалиста.

Магниторезонансная томография (МРТ) − способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. За изобретение метода МРТ Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили в 2003 году Нобелевскую премию в области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией публику, убрали упоминание о "ядерном" происхождении метода, тем более, что ионизирующие излучения в этом методе не используются.

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс реализуется на ядрах с ненулевыми спинами. Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода (1 H), углерода (13 C), натрия (23 Na) и фосфора (31 P), так как все они присутствуют в теле человека. В нем больше всего (63%) атомов водорода, которые содержатся в жире и воде, которых больше всего в человеческом теле. По этим причинам современные МР-томографы чаще всего «настроены» на ядра водорода − протоны.

При отсутствии внешнего поля спины и магнитные моменты протонов ориентированы хаотически (рис. 8а). Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю (рис. 8б), причём во втором случае его энергия будет выше.

Частица со спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного отношения γ.

Для водорода, γ = 42.58 MГц/Тл.
Частица может подвергаться переходу между двумя энергетическими состояниями, поглощая фотон. Частица на нижнем энергетическом уровне поглощает фотон и оказывается на верхнем энергетическом уровне. Энергия данного фотона должна точно соответствовать разнице между этими двумя состояниями. Энергия протона, Е, связана с его частотой, ν, через постоянную Планка (h = 6.626·10 -34 Дж·с).

В ЯМР величина ν называется резонансной или частотой Лармора. ν = γB и E = hν, поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией

Когда энергия фотона соответствует разнице между двумя состояниями спина, происходит поглощение энергии. Напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу (резонанс). В ЯМР экспериментах частота фотона соответствует радиочастотному (РЧ) диапазону. В клинической МРТ, для отображения водорода, ν как правило находится между 15 и 80 MГц.
При комнатной температуре количество протонов со спинами на нижнем энергетическом уровне незначительно превосходит их количество на верхнем уровне. Сигнал в ЯМР-спектроскопии пропорционален разности в заселенностях уровней. Число избыточных протонов пропорционально B 0 . Эта разница в поле 0.5 Tл, составляет всего лишь 3 протона на миллион, в поле 1.5 Tл – 9 протонов на миллион. Однако общее количество избыточных протонов в 0.02 мл воды в поле 1.5 Tл – 6.02·10 15 . Чем больше напряженность магнитного поля, тем лучше изображение.

В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля B 0 и называется равновесной намагниченностью M 0 . В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности M Z равна M 0 . Еще M Z называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (M X или M Y) намагниченности нет. Посылая РЧ импульс с ларморовской частотой, можно вращать вектор суммарной намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси Z, в данном случае плоскости X-Y.

T1 Релаксация
После прекращения действия РЧ импульса, суммарный вектор намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая радиочастотные волны. Временная константа, описывающая, как M Z возвращается к равновесному значению, называется временем спин-решеточной релаксации (T 1 ).

M Z = M 0 (1 - e -t/T 1 )

T1 релаксация происходит в объеме, содержащем протоны. Однако связи протонов в молекулах неодинаковые. Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.

T2 Релаксация
T1 релаксация описывает процессы, происходящие в Z направлении, в то время как T2 релаксация описывает процессы в плоскости X-Y.
Сразу после воздействия РЧ импульсом суммарный вектор намагниченности (теперь называемый поперечной намагниченностью) начинает вращаться в плоскости X-Y вокруг оси Z . Все векторы имеют одно и то же направление, потому что они находятся в фазе. Однако они не сохраняют это состояние. Вектор суммарной намагниченности начинает сдвигаться по фазе (расфазировываться) из-за того, что каждый спиновый пакет испытывает магнитное поле, немного отличающееся от магнитного поля, испытываемого другими пакетами, и вращается со своей собственной частотой Лармора. Сначала количество дефазированных векторов будет небольшим, но быстро увеличивающимся до момента, когда фазовая когерентность исчезнет: не будет ни одного вектора, совпадающего по направлению с другим. Суммарная намагниченность в плоскости XY стремится к нулю, и затем продольная намагниченность возрастает до тех пор пока M 0 не будет вдоль Z.

Рис. 9. Спад магнитной индукции

Временная константа, описывающая поведение поперечной намагниченности, M XY , называется спин-спиновым временем релаксации, T 2 . T2 релаксация называется спин-спиновой релаксацией, потому что она описывает взаимодействия между протонами в их непосредственной среде (молекулах). T2 релаксация – затухающий процесс, означающий высокую фазовую когерентность в начале процесса, но быстро уменьшающуюся до полного исчезновения когерентности в конце. Cигнал в начале сильный, но быстро ослабевает за счет T2 релаксации. Сигнал называется спадом магнитной индукции (FID - Free Induction Decay) (рис. 9).

M XY =M XYo e -t/T 2

T 2 всегда меньше чем T 1 .
Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани. Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с водой. Еще одно замечание относительно T2 релаксации: она протекает гораздо быстрее T1 релаксации. T2 релаксация происходит за десятки миллисекунд, в то время как T1 релаксация может достигать секунд.
Для иллюстрации в таблице 1 приведены значения времен T 1 и T 2 для различных тканей.

Таблица 1

Ткани	T 1 (мс), 1.5 T	T 2 (мс)
МОЗГ
Серое вещество	921	101
Белое вещество	787	92
Опухоли	1073	121
Отек	1090	113
ГРУДЬ
Фиброзная ткань	868	49
Жировая ткань	259	84
Опухоли	976	80
Карцинома	923	94
ПЕЧЕНЬ
Нормальная ткань	493	43
Опухоли	905	84
Цирроз печени	438	45
МЫШЦА
Нормальная ткань	868	47
Опухоли	1083	87
Карцинома	1046	82
Отек	1488	67

Устройство магнитно-резонансного томографа

Рис. 10. Схема МРТ

Схема магнитнорезонансного томографа показана на рис. 10. В состав МРТ входят магнит, градиентные катушки и радиочастотные катушки.

Постоянный магнит
МРТ сканеры используют мощные магниты. От величины напряженности поля зависит качество и скорость получения изображения. В современных МР-томографах используются либо постоянные, либо сверхпроводящие магниты. Постоянные магниты дёшевы и просты в эксплуатации, но не позволяют создавать магнитные поля с напряженностью большей 0.7 Тл. Большинство магнитно-резонансных томографов это модели со сверхпроводящими магнитами (0.5 – 1.5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3.0 Тл) очень дороги в эксплуатации. На МР-томографах с полем ниже 1 Тл нельзя качественно сделать томографию внутренних органов, так как мощность таких аппаратов слишком низкая, чтобы получать снимки высокого разрешения. На томографах с напряженностью магнитного поля < 1 Тл можно проводить только исследования головы, позвоночника и суставов.

Рис. 11.

Градиентные катушки
Внутри магнита расположены градиентные катушки. Градиентные катушки позволяют создавать дополнительные магнитные поля, накладывающиеся на основное магнитное поле B 0 . Имеются 3 набора катушек. Каждый набор может создавать магнитное поле в определенном направлении: Z, X или Y. Например, когда ток поступает в Z градиент, в Z направлении (вдоль длинной оси тела)создается однородное линейное изменение поля. В центре магнита поле имеет напряженность B 0 , а резонансная частота равняется ν 0 , но на расстоянии ΔZ поле меняется на величину ΔB, а соответственно меняется и резонансная частота (рис. 11). За счет добавления к общему однородному магнитному полю градиентного магнитного возмущения, обеспечивается локализация ЯМР-сигнала. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. От мощности и скорости действия катушек зависит быстродействие, отношение сигнал/шум, разрешающая способность томографа.

РЧ катушки
РЧ катушки создают поле B 1 , которое поворачивает суммарную намагниченность в импульсной последовательности. Они также регистрируют поперечную намагниченность, в то время как она прецессирует в плоскости XY. РЧ катушки бывают трех основных категорий: передающие и принимающие, только принимающие, только передающие. РЧ катушки служат излучателями полей B 1 и приемниками РЧ энергии от исследуемого объекта.

Кодирование сигнала

Когда пациент находится в однородном магнитном поле B 0 , все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B 0 . Все они вращаются с Ларморовой частотой. Если сгенерировать РЧ импульс возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возникает ответный сигнал, но локализации источника сигнала нет.

Срез-кодирующий градиент
При включенном Z-градиенте, в этом направлении генерируется дополнительное магнитное поле G Z , накладывающееся на B 0 . Более сильное поле означает более высокую Ларморову частоту. Вдоль всего наклона градиента поле B различно и, следовательно, протоны вращаются с разными частотами. Теперь, если сгенерировать РЧ импульс с частотой ν + Δν, прореагируют только протоны в тонком срезе, потому что они - единственные, вращающиеся с этой же самой частотой. Ответный сигнал будет только от протонов из этого среза. Таким образом локализуется источник сигнала по оси Z. Протоны в этом срезе вращаются с одной частотой и имеют одинаковую фазу. В срезе находится огромное количество протонов, и неизвестна локализация источников по осям X и Y. Поэтому для точного определения непосредственного источника сигнала требуется дальнейшее кодирование.

Рис. 12.

Фазо-кодирующий градиент
Для дальнейшего кодирования протонов на очень короткое время включается градиент G Y . В течение этого времени в направлении по оси Y создается дополнительное магнитное поле градиента. В этом случае протоны будут иметь немного различающиеся скорости вращения. Они больше не вращаются в фазе. Разность фаз будет накапливаться. Когда градиент G Y выключен, протоны в срезе будут вращаться с одинаковой частотой, но иметь различную фазу. Это называется кодированием фазы.

Частотно-кодирующий градиент
Для кодирования левого-правого направления включается третий градиент G X . Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах, но уже приобретенная разность фаз, полученная при кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.

Таким образом для локализации источника сигналов, которые принимаются катушкой, используются градиенты магнитного поля.

G Z градиент выбирает аксиальный срез.
G Y градиент создает строки с разными фазами.
G X градиент формирует столбцы с разными частотами.

За один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки. Для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен несколько раз.
Таким образом созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы (рис. 12). Количество протонов в каждом вокселе определяет амплитуду РЧ волны. Полученный сигнал, поступающий из различных областей тела, содержит сложное сочетание частот, фаз и амплитуд.

Импульсные последовательности

На рис. 13 показана диаграмма простейшей последовательности. Вначале включается срезо-селективный градиент (1) (Gss). Одновременно c ним генерируется 90 0 РЧ импульс выбора среза (2), который "переворачивает" суммарную намагниченность в плоскость X-Y. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gpe) для выполнения первого шага кодирования фазы. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (4) (Gro), в течение которого регистрируется сигнал спада свободной индукции (5) (FID). Последовательность импульсов обычно повторяется 128 или 256 раз для сбора всех необходимых данных для построения изображения. Время между повторениями последовательности называется временем повторения (repetition time, TR). С каждым поторением последовательности меняется величина фазо-кодирующего градиента. Однако в этом случае сигнал (FID) был крайне слабый, поэтому результирующее изображение было плохим. Для повышения величины сигнала применяется последовательность спин-эхо.

Последовательность спин-эхо
После применения 90 0 импульса возбуждения суммарная намагниченность находится в плоскости X-Y. Сразу же начинается смещение фаз вследствие T2 релаксации. Именно из-за этого дефазирования сигнал резко снижается. В идеале, необходимо сохранить фазовую когерентность, обеспечивающую лучший сигнал. Для этого через короткое время после 90 0 РЧ импульса применяется 180 0 импульс. 180 0 импульс вызывает перефазирование спинов. Когда все спины восстановлены по фазе, сигнал снова становится высоким и качество изображения значительно выше.
На рис. 14 показана диаграмма импульсной последовательности спин-эхо.

Рис. 14. Диаграмма импульсной последовательности спин-эхо

Сначала включается срезо-селективный градиент (1) (G SS ). Одновременно c ним применяется 90º РЧ импульс. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gре) для выполнения первого шага кодирования фазы. Gss (4) снова включается во время 180º перефазирующего импульса (5), таким образом, воздействие оказывается на те же протоны, которые были возбуждены 90º импульсом. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (6) (Gro), в течение которого принимается сигнал (7).
TR (Время повторения). Полный процесс должен повторяться неоднократно. TR время между двумя 90ºимпульсами возбуждения. TE (Время эхо). Это время между 90ºимпульсом возбуждения и эхо.

Контраст изображения

При ЯМР сканировании одновременно происходят два процесса релаксации T1 и T2. Причем
T1 >> T2. Контраст изображения сильно зависит от этих процессов и от того, насколько полно каждый из них проявляется при выбранных временных параметрах сканирования TR и TE. Рассмотрим получение контрастного изображения на примере сканирования мозга.

T1 контраст

Рис. 15. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Выберем следующие параметры сканирования: TR = 600 мс и TE = 10 мс. То есть T1 релаксация протекает за 600 мс, а T2 релаксация – только за
5 мс (TE/2). Как видно из рис. 15а через 5 мс смещение фаз невелико и оно не сильно отличается у разных тканей. Контраст изображения, поэтому, очень слабо зависит от T2 релаксации. Что касается Т1 релаксации, то через 600 мс жир практически полностью релаксировал, но для CSF необходимо еще некоторое время
(рис. 15б). Это означает, что вклад от CSF в общий сигнал будет незначительным. Контраст изображения становится зависимым от процесса релаксации Т1. Изображение "взвешено по T1" потому, что контраст больше зависит от процесса релаксации Т1. В результирующем изображении CSF будет темной, жировая ткань будет яркой, а интенсивность серого вещества будет чем-то средним между ними.

T2 контраст

Рис. 16. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Теперь зададим следующие параметры: TR = 3000 мс и TE = 120 мс, то есть T2 релаксации протекать за 60 мс. Как следует из рис. 16б, практически все ткани подверглись полной T1 релаксации. Здесь TE является доминирующим фактором для контраста изображения. Изображение "взвешено по T2". На изображении CSF будет яркой, в то время как другие ткани будут обладать различными оттенками серого.

Контраст протонной плотности

Существует еще один тип контраста изображения, называемый протонной плотностью (PD).
Зададим следующие параметры: TR = 2000 мс и TE 10 мс. Таким образом, как и в первом случае T2 релаксация вносит незначительный вклад в контраст изображения. С TR = 2000 мс, суммарная намагниченность большинства тканей восстановится вдоль Z-оси. Контраст изображения в PD изображениях не зависит ни от T2, ни от T1 релаксации. Полученный сигнал полностью зависит от количества протонов в ткани: небольшое количество протонов означает низкий сигнал и темное изображение, в то время как большое их количество производит сильный сигнал и яркое изображение.

Рис. 17.

Все изображения имеют сочетания T1 и T2 контрастов. Контраст зависит только от того, за сколько времени позволено протекать T2 релаксации. В спин-эхо (SE) последовательностях наиболее важны для контраста изображения времена TR и TE.
На рис. 17 схематически показано, как TR и TE связаны в терминах контраста изображения в SE последовательности. Короткое TR и короткое TE дают контраст, взвешенный по T1. Длинное TR и короткое TE дают контраст PD. Длинное TR и длинное TE приводят к контрасту, взвешенному по T2.

Рис. 18. Изображения с разными контрастами: взвешенный по T1, протонная плотность и взвешенный по T2. Отметьте различия в интенсивности сигнала тканей. CSF темная на T1, серая на PD и яркая на T2.

Рис. 19. Магниторезонансный томограф

МРТ хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные структуры. Нервы, мышцы, связки и сухожилия наблюдаются гораздо более четко в МРТ, чем в КТ. Кроме того, магнитно-резонансный метод незаменим при обследовании головного и спинного мозга. В головном мозге МРТ может различать белое и серое вещества. Благодаря высокой точности и четкости полученных изображений магнитно-резонансная томография успешно используется в диагностике воспалительных, инфекционных, онкологических заболеваний, при исследовании суставов, всех отделов позвоночника, молочных желез, сердца, органов брюшной полости, малого таза, сосудов. Современные методики МРТ делают возможным исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, наблюдать структуру и активацию различных участков коры головного мозга.

Магнито-резонансные явления, их применение в медицине.

1. Расщепление энергетических уровней в магнитном поле. Эффект Зеемана.

2. Резонансные методы исследования вещества.

3. Магнитный резонанс.

4. Электронный парамагнитный резонанс

5. Ядерный магнитный резонанс

6. Метод ЭПР в биологии и медицине

1. Так как макроскопические свойства магнетиков обусловлены их строением, рассмотрим магнитные характеристики электронов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в магнитном поле.

Сила тока, соответствующая движению электрона, который вращается с частотой , равна

Где e-заряд электрона

Так как , то

Так как магнитный момент контура с током P=IS, то

(3)

Момент импульса электрона (1-й постулат Бора)

Отношение магнитного момента частицы к ее моменту импульса называют магнито-механическим

(4)

Магнито-механическое отношение выражают через множитель Ланде g:

(5)

Электрон обладает также и собственным моментом импульса, который называется спином. Спину соответствует магнитный момент. Спиновое иагнито-механическое соотношение вдвое больше орбитального:

(6)

Соотношения (5) и (6) показывают, что между магнитным и механическим моментом существует вполне определенная «жесткая» связь, так как e и m e –величины постоянные.

Рассмотрим атом, помещенный в магнитное поле. Его энергия определяется по формуле

(7)

Где E 0 -энергия атома в отсутствии магнитного поля

Магнетон Бора, g-множитель Ланде,

В-индукция магнитного поля,

m j -магнитное квантовое число.

Так как m j может принимать (2j+1) значений от +j до –j, то из (7) следует, что каждый энергетический уровень при помещении атома в магнитное поле расщепляется на 2j+1 подуровней. Это показано на рис. для j=1/2.

Расстояние между соседними подуровнями равно

Расщепление энергетических уровней приводит к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

Запишем (7) для двух подуровней Е 1 и Е 2 , образованных при наложении магнитного поля:

, (9)

Е 01 и Е 02 -энергии атома при отсутствии магнитного поля

Используя условие частот , (9) можно записать

Где -частота спектральной линии при отсутствии магнитного поля, -расщепление спектральной линии в магнитном поле.

Согласно правилам отбора для магнитного квантового числа Это соответствует трем возможным частотам:

Т.е. в магнитном поле спектральная линия расщепляется на триплет.

Примечание: в современной квантовой механике состояние движения электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами.

Главное квантовое число n=1,… -определяет уровни энергии электрона

Орбитальное квантовое число l=0.1…n-1-характеризует момент импульса электрона L e относительно ядра:

Магнитное квантовое число m j =0. всего 2l+1 значений. Оно определяет проекции орбитального момента импульса на произвольное направление z:

Основное квантовое число m s принимает значения +1/2 и -1/2 и характеризует значение проекции спина:

2. Резонансные методы исследования вещества , обладая высокой информативностью и точностью, позволяют исследовать химический состав, симметрию, структуру, энергетический спектр вещества, электрические, спин-орбитальные, магнитные, сверхтонкие взаимодействия.

Слово «резонанс» в широком смысле означает возрастание отклика колебательной системы на периодическое внешнее воздействие при сближении частоты последнего с одной из частот собственных колебаний системы.

Несмотря на различную природу колебательных систем, которые способны резонировать, общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системой извне.

Наиболее удобным и распространенным видом периодического внешнего воздействия является э/м излучение.

При квантовом описании колебательная система характеризуется набором разрешенных значений энергии (энергетическим спектром). Этот спектр для систем связанных частиц может носить дискретный характер. Переменное э/м поле частоты можно рассматривать как совокупность фотонов с энергией . При совпадении энергии фотона с разностью энергий каких-либо двух уровней наступает резонанс, т.е. резко возрастает число поглощаемых системой фотонов, вызывающих квантовые переходы с нижнего уровня E i на верхний E k .

Магнитный резонанс

Если облучать вещество переменным э/м полем, то при некоторой частоте будет происходить резонансное поглощение энергии э/м поля, которое можно измерить экспериментально. На практике удобнее частоту переменного поля (задаваемого генератором) зафиксировать, а менять величину постоянного магнитного поя Н. Тогда резонанс наступает при определенном значении поля Н, которое и измеряется. Это явление называется магнитным резонансом. Зная магнитный момент электрона, можно вычислить частоту электронного резонанса. В зависимости от типа частиц, составляющих резонирующую систему, различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

4. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) открыт в 1944 г. Е.К.Завойским при исследовании поглощения э/м энергии парамагнитными солями металлов. Он заметил, что монокристалл CuCl 2 , помещенный в постоянное магнитное поле 40Гаусс (4мТл), начинает поглощать микроволновое излучение с частотой около 133 МГц.

Специально вводимые в диамагнитные кристаллы примесные парамагнитные ионы оказались прекрасными зондами для изучения методом ЭПР локальной структуры и симметрии, природы химических связей примесного иона с кристаллическим окружением, электронно-колебательных взаимодействий и т.д.

Устройство радиоспектрометра ЭПР во многом напоминает устройство спектрофотометра для измерения оптического поглощения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Излучение, прошедшее через измеряемый образец, в радиоспектрометре и в спетрофотометре попадает на детектор, затем сигнал детектора усиливается и регистрируется на самописце компьютера.

5. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) состоит в резонансном поглощении э/м энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Частота э/м поля, вызывающего переходы между соседними уровнями, определяется условием частот Бора. При этом стало возможным детектирование сигналов от ядер, интенсивность сигналов ЯМР которых во много раз меньше интенсивности водородных сигналов.

Спектры ЯМР высокого разрешения обычно состоят из узких, хорошо разрешенных линий (сигналов), соответствующих магнитным ядрам в различном химическом окружении. Интенсивности (площади) сигналов при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер в каждой группировке, что дает возможность проводить количественный анализ по спектрам ЯМР без предварительной калибровки.

6. ЭПР в медицине и биологии .

Современные ЭПР-спектрометры позволяют изучать парамагнитные молекулы непосредственно в процессе функционирования биологических систем на разных уровнях их структурно-функциональной организации, таких, как молекулы биополимеров, макромолекулярные комплексы и субклеточные структуры, клетки, отдельные органы животных и растений, а также целые организмы.

Широкие возможности метода ЭПР в медицинской науке и практике продемонстрированы исследованиями, регистрирующими свободные радикалы в различных клеточных суспензиях: мышечной ткани, гипофизе, щитовидной железе, надпочечниках, эпителиальных клетках хрусталика глаза. Методом ЭПР было исследовано влияние некоторых токсичных веществ на человека.

Особый интерес для медицинской микробиологии могут представлять данные о том, что на содержание свободных радикалов в тканях, клетках и биомакромолекулах существенное влияние оказывают малые количества структурно связанной воды и кислород. Метод ЭПР использовался для контроля за сохранением таких биологических материалов, как кровь, вакцины, сыворотки, кровезаменители, пищевые продукты. Ряд тяжелых заболеваний, таких как холера, сахарный диабет и др., сопровождаются существенным обезвоживанием организма.

Особое направление в применении ЭПР - спектроскопии для биомедицинских исследований представляет так называемый спин-иммунологический метод. Его с успехом используют для определения малых количеств наркотических веществ в биологических жидкостях (моче, крови, слюне). В отличие от радио-иммунологического сип-иммунологический метод не требует специальной защиты для обеспечения безопасности, как это принято при работе с изотопами.

В ряде работ были показаны возможности метода ЭПР для диагностики ишемической болезни сердца. С использованием метода ЭПР можно диагностировать инсулинозависимый сахарный диабет по степени его тяжести.

С помощью метода ЭПР проводятся биодозиметрические обследования населения, пострадавшего при радиоактивном загрязнении окружающей среды.

ЯМР или по-английски NMR imaging– это сокращение от словосочетания «ядерный магнитный резонанс». Такой способ исследования вошел в медицинскую практику в 80-х годах прошлого века. Он отличается от рентгеновской томографии. Излучение, используемое в ЯМР, включает радиоволновой диапазон с длиной волны от 1 до 300 м. По аналогии с КТ ядерно-магнитная томография использует автоматическое управление компьютерным сканированием с обработкой послойного изображения структуры внутренних органов.

В чем суть ЯМРТ

В основе ЯМР используются сильные магнитные поля, а также радиоволны, которые позволяют сформировать изображение тела человека из отдельных изображений (сканов). Такая методика необходима для экстренной помощи пациентам с травмами и повреждением мозга, а также для плановой проверки. ЯМРТ называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (телом человека), которое находится в магнитном поле. Это становится возможным при наличии ядер с ненулевым магнитным моментом. Сначала происходит поглощение радиоволн, затем происходит испускание радиоволн ядрами и они переходят на низкие энергетические уровни. Оба процесса можно зафиксировать при изучении и поглощении ядер. При ЯМР создается неоднородное магнитное поле. Нужно лишь настроить антенну-передатчик и приемник ЯМР-томографа на строго определенный участок тканей или органов и снимать показания с точек, меняя частоту приема волны.

При обработке информации от просканированных точек получаются картинки всех органов и систем в различных плоскостях, в срезе, формируется трехмерное изображение тканей и органов с высоким разрешением. Технология магнитно – ядерной томографии очень сложная, в ее основу положен принцип резонансного поглощения электромагнитных волн атомами. Человек помещается в аппарат с сильным магнитным полем. Молекулы там разворачиваются по направлению магнитного поля. Затем проводится сканирование электроволной, изменение молекул сначала фиксируется на особой матрице, а затем передается в компьютер и проводится обработка всех данных.

Области применения ЯМРТ

ЯМР томография имеет достаточно широкий спектр применения, поэтому его гораздо чаще используют в качестве альтернативы компьютерной томографии. Список заболеваний, которые можно обнаружить при помощи ЯМР очень объемный.

Головной мозг.

Чаще всего такое исследование применяется для сканирования головного мозга при травмах, опухолях, деменции, эпилепсии, проблемах с сосудами головного мозга.

Сердечно-сосудистая система.

При диагностике сердца и сосудов ЯМР дополняет такие методы, как ангиография и КТ.
ЯМРТ позволяет выявить кардиомиопатию, врожденный порок сердца, сосудистые изменения, ишемию миокарда, дистрофию и опухоли в области сердца, сосудов.

Опорно-двигательная система.

Широко применяется ЯМР томография и при диагностике проблем с опорно-двигательным аппаратом. При таком методе диагностики очень хорошо дифференцируются связки, сухожилия и костные структуры.

Внутренние органы.

При исследовании ЖКТ и печени с помощью ядерно-магнитно-резонансной томографии можно получить полноценную информацию о селезенке, почках, печени, поджелудочной железе. Если дополнительно ввести контрастное вещество, то появляется возможность отследить функциональную способность этих органов и их сосудистую систему. А дополнительные компьютерные программы позволяют сформировать образы кишечника, пищевода, желчных путей, бронхов.

Ядерная магнитно-резонансная томография и МРТ: есть ли разница

Иногда можно запутаться в названиях МРТ и ЯМР. Если ли отличие между этими двумя процедурами? Можно однозначно ответить, что нет.
Первоначально, на момент своего открытия магнитно-резонансной томографии в ее названии имелось еще одно слово «ядерная», которое со временем исчезло, осталась только аббревиатура МРТ.

Ядерная магнитно-резонансная томография представляет собой подобие рентгеновского аппарата, однако, принцип действия и возможности у нее несколько другие. МРТ помогает получить визуальную картинку головного и спинного мозга, других органов с мягкими тканями. С помощью томографии есть возможность измерить скорость кровотока, течения ликвора и спинномозговой жидкости. Также возможно рассмотреть, как активируется тот или иной участок коры головного мозга в зависимости от деятельности человека. Врач при проведении исследования видит объемное изображение, которое позволяет ему ориентироваться в оценке состояния человека.

Существует несколько способов исследования: ангиография, перфузия, диффузия, спектроскопия. Ядерная магнитно-резонансная томография является одной из самых лучших методик исследования, так как она позволяет получить трехмерное изображение состояния органов и тканей, а значит, диагноз будет установлен более точно и лечение будет выбрано правильное. ЯМР исследование внутренних органов человека представляет собой именно образы, а не реальные ткани. Образы появляются на фоточувствительной пленке, когда поглощаются рентгеновские лучи при получении рентгеновского снимка.

Основные плюсы ЯМР-томографии

Преимущества томографии ЯМР по сравнению с другими методами исследования многогранны и значительны.

Минусы ЯМР-томографии

Но конечно и такой метод не лишен своих недостатков.

Большая энергозатрата. Работа камеры требует большого количества электроэнергии и дорогих технологий для нормальной сверхпроводимости. Но магниты с большой мощностью не оказывают отрицательного влияния на здоровье человека.
Длительность процесса. Ядерная магнитно-резонансная томография является менее чувствительным методом по сравнению с рентгеном. Поэтому требуется большее время для просвечивания. К тому же искажение картинки может происходить из-за дыхательных движений, что искажает данные при проведении исследований легких и сердца.
При наличии такого заболевания, как клаустрофобия, является противопоказанием для исследования при помощи ЯМРТ. Также нельзя проводит диагностику при помощи ЯМР-томографии, если имеются крупные металлические имплантаты, кардиостимуляторы, искусственные водители ритма. При беременности диагностику проводят только в исключительных случаях.

Каждый крошечный объект человеческого тела может быть исследован при помощи ЯМР-томографии. Только в некоторых случаях следует включать распределение концентрации химических элементов в организме. Для того чтобы измерения становились более чувствительными, следует накапливать и суммировать довольно большое количество сигналов. В таком случае получается четкое изображение высокого качества, которое адекватно передает реальность. С этим связана и длительность пребывания человека в камере для проведения ЯМР-томографии. Придется неподвижно пролежать довольно долго.

В завершение можно сказать, что ядерная магнитно-резонансная томография является довольно безопасным и абсолютно безболезненным методом диагностики, который позволяет полностью избежать воздействия рентгеновских лучей. Компьютерные программы позволяют обрабатывать получившиеся сканы с формированием виртуальных изображений. Границы ЯМР поистине безграничны.

Уже сейчас такой способ диагностики является стимулом для ее стремительного развития и широкого применения в медицине. Метод отличается своей малой вредностью для здоровья человека, но при этом позволяет тщательно исследовать строение органов, как здорового человека, так и при имеющихся заболеваниях.