Как работает МРТ

Oct 25 2010

МРТ - лучший способ заглянуть внутрь человеческого тела, не разрезая его, но это может немного утешить вас, когда вы готовитесь к экзамену. Совершенно неподвижно лежа на крошечной плите в узкой дыре, вы можете задаться вопросом, что происходит с вашим телом.

Лестер Лефковиц / Выбор фотографа / Getty Images
В бездну.

Доктор Раймонд Дамадиан, врач и ученый, годами трудился, пытаясь создать машину, которая могла бы неинвазивно сканировать тело с помощью магнитов. Вместе с несколькими аспирантами он сконструировал сверхпроводящий магнит и сделал катушку из антенных проводов. Поскольку никто не хотел быть первым в этом изобретении, Дамадиан вызвался стать первым пациентом.

Однако когда он забрался внутрь, ничего не произошло. Дамадиан смотрел на годы, потраченные на неудачное изобретение, но один из его коллег смело предположил, что он мог быть слишком большим для машины. Стройный аспирант вызвался попробовать, и 3 июля 1977 года на человеке был проведен первый МРТ-экзамен. На создание одного изображения ушло почти пять часов, и эта оригинальная машина, названная «Неукротимым», теперь принадлежит Смитсоновскому институту.

Всего за несколько десятилетий использование сканеров магнитно-резонансной томографии ( МРТ ) значительно расширилось. Врачи могут заказать МРТ, чтобы помочь диагностировать рассеянный склероз, опухоли головного мозга, разорванные связки, тендинит, рак и инсульты , и это лишь некоторые из них. МРТ - лучший способ заглянуть внутрь человеческого тела, не разрезая его.

Учить больше

МРТ викторина
Как работают рентгеновские лучи
Как работает фМРТ

Когда вы готовитесь к МРТ, это может вас не утешить. С вас снимают украшения и кредитные карты и задают подробные вопросы обо всех металлических инструментах, которые могут быть внутри вас. Вас кладут на крошечную плиту и толкают в отверстие, которое вряд ли кажется достаточно большим для человека. Вы подвергаетесь громкому шуму и должны лежать совершенно неподвижно, иначе они снова сделают это с вами. И каждую минуту вы не можете не задаться вопросом, что происходит с вашим телом, пока оно находится в этой машине. Неужели это испытание действительно лучше, чем другой метод визуализации, такой как рентген или компьютерная томография ? Что сделал Раймонд Дамадьян?

СОДЕРЖАНИЕ

Магниты МРТ: основные игроки
Другие части аппарата МРТ
Атомы водорода и магнитные моменты
Что еще происходит при МРТ?
МРТ-изображения и как они делаются
Проблемы безопасности МРТ

Магниты МРТ: основные игроки

.com
Компоненты системы МРТ

Сканеры МРТ различаются по размеру и форме, а некоторые новые модели имеют большую степень открытости по бокам. Тем не менее, основная конструкция остается той же, и пациента помещают в трубку диаметром всего около 24 дюймов (60 сантиметров) [источник: Хорнак ]. Но что там?

Самый большой и самый важный компонент системы МРТ - это магнит. Горизонтальная трубка - та самая, в которую входит пациент - проходит через магнит спереди назад. Эта трубка известна как канал ствола . Но это не просто магнит - здесь мы имеем дело с невероятно сильной системой, способной создавать большое стабильное магнитное поле.

Сила магнита в системе МРТ оценивается с помощью единицы измерения, известной как тесла . Другая единица измерения, обычно используемая с магнитами, - это гаусс (1 тесла = 10 000 гаусс). Магниты, используемые сегодня в системах МРТ, создают магнитное поле от 0,5 до 2,0 тесла, или от 5000 до 20 000 гаусс. Когда вы поймете, что магнитное поле Земли составляет 0,5 гаусса, вы увидите, насколько мощны эти магниты.

В большинстве систем МРТ используется сверхпроводящий магнит , который состоит из множества катушек или обмоток провода, через которые проходит электрический ток, создавая магнитное поле до 2,0 тесла. Для поддержания такого большого магнитного поля требуется много энергии, которая достигается за счет сверхпроводимости или снижения сопротивления в проводах почти до нуля. Для этого провода постоянно погружаются в жидкий гелий при температуре 452,4 градуса ниже нуля по Фаренгейту (269,1 градуса ниже нуля по Цельсию) [источник: Coyne ]. Этот холод изолирован вакуумом. Хотя сверхпроводящие магниты дороги, сильное магнитное поле позволяет получать изображения высочайшего качества, а сверхпроводимость сохраняет систему экономичной в эксплуатации.

Другие части аппарата МРТ

Разработки МРТ

Аппараты МРТ развиваются и становятся более удобными для пациентов. Например, многие люди, страдающие клаустрофобией, просто не выносят тесноты, а скука может не приспособиться к людям с ожирением. Есть больше открытых сканеров, которые обеспечивают большее пространство, но эти аппараты имеют более слабые магнитные поля, а это означает, что может быть легче пропустить аномальные ткани. Также разрабатываются очень маленькие сканеры для визуализации определенных частей тела.

Другие успехи делаются в области МРТ. Функциональная МРТ ( фМРТ ), например, создает карту мозга активности нервных клеток каждую секунду и помогает исследователям лучше понять, как работает мозг. Магнитно-резонансная ангиография ( МРА ) создает изображения текущей крови, артерий и вен практически в любой части тела.

Два других магнита используются в системах МРТ в гораздо меньшей степени. Резистивные магниты структурно похожи на сверхпроводящие магниты, но в них отсутствует жидкий гелий. Это различие означает, что они требуют огромного количества электроэнергии, что делает их работу с уровнем выше 0,3 тесла непомерно дорогим. Постоянные магниты обладают постоянным магнитным полем, но они настолько тяжелы, что было бы трудно построить магнит, способный выдерживать большое магнитное поле.

Внутри аппарата МРТ также есть три градиентных магнита . Эти магниты имеют гораздо меньшую силу по сравнению с основным магнитным полем; они могут иметь силу от 180 до 270 гаусс. В то время как основной магнит создает интенсивное стабильное магнитное поле вокруг пациента, градиентные магниты создают переменное поле, которое позволяет сканировать различные части тела.

Другая часть системы МРТ - это набор катушек, передающих радиочастотные волны в тело пациента. Есть разные катушки для разных частей тела: коленей, плеч, запястий, головы, шеи и так далее. Эти катушки обычно соответствуют контуру отображаемой части тела или, по крайней мере, находятся очень близко к нему во время исследования. Другие части машины включают очень мощную компьютерную систему и стол пациента, который вставляет пациента в отверстие. То, идет ли пациенту сначала головой или ногами, определяется тем, какая часть тела нуждается в обследовании. Как только сканируемая часть тела окажется в точном центре или изоцентре магнитного поля, сканирование можно начинать.

Что происходит во время сканирования? Узнай на следующей странице.

Атомы водорода и магнитные моменты

Когда пациенты входят в аппарат МРТ, они забирают с собой миллиарды атомов, из которых состоит человеческое тело . Для целей МРТ нас интересует только атом водорода, которого много, поскольку тело в основном состоит из воды и жира . Эти атомы беспорядочно вращаются или прецессируют вокруг своей оси, как волчок ребенка. Все атомы движутся в разных направлениях, но когда они помещены в магнитное поле, атомы выстраиваются в линию в направлении поля.

Эти атомы водорода обладают сильным магнитным моментом , что означает, что в магнитном поле они выстраиваются в линию в направлении поля. Поскольку магнитное поле проходит прямо по центру устройства, протоны водорода выстраиваются так, что они указывают либо на ноги пациента, либо на голову. Примерно половина проходит в каждую сторону, так что подавляющее большинство протонов компенсируют друг друга, то есть для каждого атома, выстроенного в линию к ногам, один выстраивается в линию к голове. Только пара протонов из миллиона не погашены. Звучит не так уж и много, но самого количества атомов водорода в теле достаточно для создания чрезвычайно детальных изображений. Сейчас нас беспокоят именно эти непревзойденные атомы.

Что еще происходит при МРТ?

Затем аппарат МРТ применяет радиочастотный (RF) импульс , специфичный только для водорода. Система направляет импульс в область тела, которую мы хотим исследовать. При подаче импульса несогласованные протоны поглощают энергию и снова вращаются в другом направлении. Это «резонансная» часть МРТ. Радиочастотный импульс заставляет их вращаться с определенной частотой в определенном направлении. Конкретная частота резонанса называется частотой Лармура и рассчитывается на основе конкретной ткани, которую необходимо отобразить, и силы основного магнитного поля.

Примерно в то же время в действие вступают три градиентных магнита. Они расположены внутри основного магнита таким образом, что, когда они быстро включаются и выключаются определенным образом, они изменяют основное магнитное поле на локальном уровне. Это означает, что мы можем выбрать именно ту область, которую хотим сфотографировать; эта область называется «срез». Представьте себе буханку хлеба с ломтиками толщиной в несколько миллиметров - именно так они получаются на МРТ. Срезы можно снимать с любой части тела в любом направлении, что дает врачам огромное преимущество перед любым другим методом визуализации. Это также означает, что вам не нужно двигаться, чтобы машина могла получить изображение с другого направления - машина может управлять всем с помощью градиентных магнитов.

Но во время сканирования аппарат издает огромный шум, который звучит как непрерывный быстрый стук. Это связано с тем, что нарастающий электрический ток в проводах градиентных магнитов противодействует главному магнитному полю. Чем сильнее основное поле, тем громче градиентный шум. В большинстве центров МРТ вы можете принести музыкальный проигрыватель, чтобы заглушить ракетку, и пациентам выдают беруши.

Когда радиочастотный импульс выключен, протоны водорода медленно возвращаются к своему естественному расположению в магнитном поле и высвобождают энергию, поглощенную радиочастотными импульсами. Когда они это делают, они издают сигнал, который катушки срабатывают и отправляют в компьютерную систему. Но как преобразовать этот сигнал в картинку, которая хоть что-то значит?

МРТ-изображения и как они делаются

Рон Левин / Банк изображений / Getty Images
Врачи исследуют контрасты на МРТ.

Сканер МРТ может выделить очень маленькую точку внутри тела пациента и спросить ее, по сути, «Какой у вас тип ткани?» Система последовательно просматривает тело пациента, составляя карту типов тканей. Затем он объединяет всю эту информацию для создания двухмерных изображений или трехмерных моделей с помощью математической формулы, известной как преобразование Фурье . Компьютер получает сигнал от вращающихся протонов в виде математических данных; данные преобразуются в картинку. Это «визуализирующая» часть МРТ.

Система МРТ использует инъекционный контраст или красители для изменения локального магнитного поля в исследуемой ткани. Нормальные и аномальные ткани по-разному реагируют на это небольшое изменение, подавая нам разные сигналы. Эти сигналы передаются изображениям; Система МРТ может отображать более 250 оттенков серого для изображения различных тканей [источник: Coyne]. Изображения позволяют врачам лучше визуализировать различные типы аномалий тканей, чем без контраста. Мы знаем, что когда мы делаем «А», нормальная ткань будет выглядеть как «Б» - в противном случае это может быть аномалия.

Рентген является очень эффективным для показа врачей сломанных костей , но если они хотят взглянуть на мягких тканях пациента, в том числе органов, связок и кровеносной системы, то они , вероятно , хотят МРТ. И, как мы упоминали на предыдущей странице, еще одним важным преимуществом МРТ является возможность изображения в любой плоскости. Компьютерная томография (КТ), например, ограничена одной плоскостью, осевой плоскостью (в аналогии с буханкой хлеба, аксиальная плоскость будет соответствовать тому, как обычно нарезают буханку хлеба). Система МРТ может создавать аксиальные изображения, а также сагиталловые (разрезание хлеба из стороны в сторону по длине) и корональные (подумайте о слоях слоеного пирога) или любые промежуточные изображения без движения пациента.

Но для этих высококачественных изображений пациент совсем не может двигаться. МРТ требует, чтобы пациенты находились в неподвижном состоянии от 20 до 90 минут или более. Даже очень незначительное движение сканируемой детали может привести к искажению изображения, которое придется повторять. И такое качество дорого обходится; Системы МРТ очень дороги в приобретении, и поэтому обследования также очень дороги.

Но есть ли другие расходы? А как насчет безопасности пациента?

Проблемы безопасности МРТ

Plush Studios / Blend Images / Getty Images
Этот пациент допущен к взлету.

Может быть, вы обеспокоены долгосрочным воздействием смешивания всех ваших атомов, но как только вы выйдете из магнитного поля, ваше тело и его химический состав вернутся в норму. Нет никаких известных биологических опасностей для людей от воздействия магнитных полей той силы, которая используется сегодня в медицинской визуализации. Тот факт, что системы МРТ не используют ионизирующее излучение, как другие устройства визуализации, утешает многих пациентов, так же как и тот факт, что контрастные материалы для МРТ имеют очень низкую частоту побочных эффектов. Большинство учреждений предпочитают не фотографировать беременных женщин из-за ограниченных исследований биологического воздействия магнитных полей на развивающийся плод. Решение о сканировании беременной лечение пациента проводится в индивидуальном порядке с консультацией между рентгенологом МРТ и акушером пациента.

Однако кабинет МРТ может быть очень опасным местом, если не соблюдаются строгие меры предосторожности. Кредитные карты и другие данные с магнитной кодировкой будут удалены. Металлические предметы могут стать опасными снарядами, если они попадут в комнату сканирования. Например, скрепки, ручки, ключи, ножницы, украшения, стетоскопы и любые другие мелкие предметы можно без предупреждения вытащить из карманов и снять с тела, после чего они летят к отверстию магнита с очень высокой скоростью.

Опасность также представляют большие объекты - ведра для швабры, пылесосы, стойки для внутривенных вливаний, носилки для пациентов, кардиомониторы и бесчисленное множество других объектов - все они попали в магнитные поля МРТ. В 2001 году мальчик, проходивший сканирование, погиб, когда кислородный баллон был втянут в магнитное отверстие [источник: Макнил]. Однажды пистолет вылетел из кобуры полицейского, и пистолет выстрелил. Никто не пострадал.

Для обеспечения безопасности пациенты и обслуживающий персонал должны быть тщательно проверены на предмет наличия металлических предметов перед входом в комнату сканирования. Однако часто пациенты имеют внутри имплантаты, что делает для них очень опасным нахождение в присутствии сильного магнитного поля. Это включает:

Металлические фрагменты в глазу, которые очень опасны, поскольку перемещение этих фрагментов может вызвать повреждение глаз или слепоту.
Кардиостимуляторы, которые могут работать неправильно во время сканирования или даже рядом с устройством
Зажимы для аневризмы в головном мозге , которые могут разорвать саму артерию, на которую они были помещены для ремонта, если магнит сдвинет их
Зубные имплантаты, если магнитные

Большинство современных хирургических имплантатов, включая скобы, искусственные суставы и стенты, изготовлены из немагнитных материалов, и даже если это не так, они могут быть одобрены для сканирования. Но сообщите об этом своему врачу, так как некоторые ортопедические приспособления в области сканирования могут вызвать искажения изображения.