Магнитно-резонансная томография (МРТ)

<час />

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это медицинское устройство, которое использует магнитное поле и естественный резонанс атомов в теле для получения изображений человеческих тканей. Базовое устройство было впервые разработано в 1945 году, и с тех пор технология постоянно улучшалась. С появлением мощных компьютеров МРТ стала важным диагностическим прибором. Он неинвазивен и способен делать снимки как мягких, так и твердых тканей, в отличие от других медицинских инструментов визуализации. МРТ в основном используется для исследования внутренних органов на предмет аномалий, таких как опухоли или химический дисбаланс.

История

Развитие магнитно-резонансной томографии (МРТ) началось с открытий в области ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в начале 1900-х годов. В то время ученые только начали выяснять структуру атома и природу видимого света и ультрафиолетового излучения, испускаемого некоторыми веществами. Магнитные свойства ядра атома, лежащие в основе ЯМР, были продемонстрированы Вольфгангом Паули в 1924 году.

Первое базовое устройство ЯМР было разработано И. И. Раби в 1938 году. Это устройство позволяло получать данные, относящиеся к магнитным свойствам некоторых веществ. Однако у него было два основных ограничения. Во-первых, прибор мог анализировать только газообразные вещества, а во-вторых, он мог обеспечивать только косвенные измерения этих материалов. Эти ограничения были преодолены в 1945 году, когда две группы ученых под руководством Феликса Блоха и Эдварда Перселла независимо друг от друга разработали усовершенствованные устройства ЯМР. Эти новые устройства оказались полезными для многих исследователей, позволив им собирать данные о самых разных типах систем. После дальнейших технологических усовершенствований ученые смогли использовать эту технологию для исследования биологических тканей в середине 1960-х годов.

Вскоре последовало использование ЯМР в медицине. Самые ранние эксперименты показали, что ЯМР может отличить нормальную ткань от раковой. Более поздние эксперименты показали, что с помощью ЯМР-сканирования можно различить множество различных тканей тела. В 1973 году был разработан метод визуализации с использованием данных ЯМР и компьютерных расчетов томографии. Он предоставил первое магнитно-резонансное изображение (МРТ). Следовательно, этот метод использовался для исследования мыши, и, хотя время, необходимое для тестирования, составляло более часа, было получено изображение внутренних органов мыши. Спустя несколько лет последовала визуализация человека. С тех пор были внесены различные технологические усовершенствования, чтобы сократить необходимое время сканирования и улучшить разрешение изображений. Наиболее заметные улучшения были внесены в трехмерное приложение МРТ.

Фон

Основные этапы чтения МРТ просты. Сначала пациента помещают в сильное постоянное магнитное поле и окружают несколькими катушками. Затем к системе применяется радиочастотное (РЧ) излучение, в результате чего определенные атомы внутри пациента резонируют. Когда радиочастотное излучение выключено, атомы продолжают резонировать. В конце концов, резонирующие атомы возвращаются в свое естественное состояние и при этом излучают радиочастотное излучение, которое является сигналом ЯМР. Затем сигнал обрабатывается компьютером и преобразуется в визуальное изображение пациента.

Сигналы ЯМР, которые излучаются клетками организма, в основном производятся протонами клеток. Ранние МРТ-изображения строились исключительно на основе концентрации протонов в данной ткани. Эти изображения, однако, не обеспечивали хорошего разрешения. МРТ стала гораздо более полезной для построения внутреннего изображения тела, когда было принято во внимание явление, известное как время релаксации, время, необходимое протонам для излучения своего сигнала. Во всех тканях тела можно определить два типа времени релаксации, T1 и T2. Различные типы тканей будут иметь разные значения T1 и T2. Например, серое вещество в головном мозге имеет другие значения T1 и T2, чем кровь. Используя эти три переменные (плотность протонов, значение T1 и T2), можно построить изображение с высоким разрешением.

МРТ чаще всего используется для создания изображений человеческого мозга. Это особенно полезно для этой области, потому что позволяет различать мягкие ткани и поражения. Помимо структурной информации, МРТ позволяет получать функциональные изображения головного мозга. Функциональная визуализация возможна, потому что, когда область мозга активна, кровоток в этой области увеличивается. Когда сканирование проводится с достаточной скоростью, можно увидеть, как кровь движется по органам. Еще одно применение МРТ - визуализация скелета. Повреждения связок и хрящей в коленях, запястьях и плечах можно легко увидеть с помощью МРТ. Это устраняет необходимость в традиционных инвазивных операциях. Развивается применение МРТ в отслеживании химических веществ в организме. В этих сканированиях принимаются и интерпретируются сигналы ЯМР от таких молекул, как углерод 13 и фосфор 31.

Сырье

Основные функциональные части системы МРТ включают внешний магнит, градиентные катушки, радиочастотное оборудование и компьютер. Другие компоненты включают в себя радиочастотный экран, источник питания, зонд ЯМР, дисплей и холодильный агрегат.

Магнит, используемый для создания постоянного внешнего магнитного поля, является самой большой частью любой системы МРТ. Чтобы быть полезным, магнит должен создавать стабильное магнитное поле, проникающее через определенный объем или часть тела. Доступны три различных типа магнитов. Резистивный магнит состоит из тонких алюминиевых лент, обернутых петлей. Когда электричество проводится вокруг петли, создается магнитное поле, перпендикулярное петле. В системе МРТ четыре резистивных магнита расположены перпендикулярно друг другу для создания постоянного магнитного поля. Поскольку электричество проходит по контуру, сопротивление контура выделяет тепло, которое должно рассеиваться системой охлаждения.

Сверхпроводящие магниты не имеют тех же проблем и ограничений, что и резистивные магниты. Сверхпроводящие магниты - это кольцевые магниты, сделанные из сплава ниобия и титана в медной матрице, которые переохлаждены жидким гелием и жидким азотом. При таких низких температурах сопротивление почти отсутствует, поэтому требуется очень низкий уровень электроэнергии. Этот магнит дешевле в эксплуатации, чем резистивный тип, и может генерироваться большая напряженность поля. Другой тип используемого магнита - это постоянный магнит. Он изготовлен из ферромагнитного материала, довольно большой и не требует электричества для работы. Это также обеспечивает большую гибкость в конструкции системы МРТ. Однако стабильность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, сомнительна, а его размер и вес могут быть недопустимыми. Хотя каждый из этих различных типов магнитов может создавать магнитные поля различной силы, оптимальная напряженность поля не обнаружена.

Чтобы обеспечить метод декодирования сигнала ЯМР, полученного от образца, используются градиенты магнитного поля. Обычно для получения данных в каждом из трех измерений используются три набора градиентных катушек. Как и первичные магниты, эти катушки состоят из проводящей петли, которая создает магнитное поле. В системе МРТ они обернуты вокруг цилиндра, который окружает пациента.

Радиочастотная система выполняет различные функции в аппарате МРТ. Во-первых, он отвечает за передачу радиочастотного излучения, которое побуждает атомы испускать сигнал. Затем он принимает излучаемый сигнал и усиливает его, чтобы им можно было управлять с помощью компьютера. Радиочастотные катушки являются основным оборудованием в РФ. Система . Они созданы для создания колеблющегося магнитного поля. Это поле побуждает атомы в определенной области поглощать радиочастотное излучение и затем излучать сигнал. Катушки могут не только посылать радиочастотный сигнал, но и принимать сигнал от пациента. В зависимости от типа системы МРТ используется либо седельная ВЧ катушка, либо соленоидная ВЧ катушка. Катушка обычно располагается рядом с пациентом и рассчитана на пациента. Для уменьшения радиопомех используется алюминиевый лист.

Последним звеном в системе МРТ является компьютер, который контролирует отправленные сигналы, а также обрабатывает и хранит полученные сигналы. Прежде чем полученный сигнал может быть проанализирован компьютером, он преобразуется через аналого-цифровой преобразователь. Когда компьютер принимает сигналы, он выполняет различные алгоритмы восстановления, создавая матрицу чисел, которые подходят для хранения, и строит визуальное отображение с помощью преобразователя Фурье.

Производственный
процесс

Отдельные компоненты системы МРТ обычно изготавливаются отдельно, а затем собираются в большой блок. Эти агрегаты очень тяжелые, иногда их вес превышает 100 тонн (102 метрических тонны).

Магнит

• 1 Наиболее часто используемые магниты в системе МРТ - это сверхпроводящие электромагниты. Они могут быть изготовлены из различных материалов, но базовая конструкция включает катушку с проводящим проводом, систему охлаждения и источник питания. Катушки изготавливаются путем наматывания проволоки, изготовленной из нитей ниобий-титанового сплава, залитых в медь, в большую петлю. Для создания необходимого магнитного поля используется ряд катушек. В системе одного типа используются восемь катушек:шесть для создания первичного магнитного поля и две для компенсации избыточного поля.
• 2 Катушки погружены в сосуд с жидким гелием. Это снижает температуру до уровня, который делает их сверхпроводящими. Чтобы поддерживать стабильную температуру, сосуд окружен еще двумя сосудами, содержащими другие хладагенты, такие как жидкий азот. Затем эта конструкция подвешивается на тонких стержнях в герметично закрытом контейнере. Источник питания подключается к магнитным катушкам и используется только тогда, когда на магнит необходимо подать напряжение. Магнит прикреплен к опоре для пациента, которая представляет собой подвижный стол, который помещает пациента в магнитное поле.

Градиентные катушки

• 3 Градиентные катушки представляют собой электромагниты резистивного типа. В системе МРТ обычно есть три набора градиентных катушек. Каждая катушка изготавливается путем наматывания тонких полосок из меди или алюминия по определенному шаблону. Катушкам придают прочность за счет введения в их структуру эпоксидной смолы. Размер этих катушек определяет ширину отверстия, в которое помещается пациент. Поскольку меньшая катушка требует меньше энергии, эта ширина должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить клаустрофобию у пациента, но достаточно маленькой, чтобы потребовалось разумное количество электричества. Эти градиентные катушки обычно экранированы для предотвращения возникновения вихревых токов.

RF-система

• 4 Электронные компоненты радиочастотной системы могут быть предоставлены сторонними поставщиками и собраны производителем МРТ. Эти компоненты прикреплены к ВЧ-катушкам, которые имеют различную конструкцию. Катушки передатчика и приемника состоят из материалов того же типа, что и градиентные катушки. Они также сконструированы так же, как и главный магнит. Однако они состоят из петли из проводящего материала, такого как медь, который может создавать колеблющееся магнитное поле. Один из типов РЧ-катушки - это поверхностная катушка, имеющая форму круга и прикладываемая непосредственно к пациенту. Другой тип - катушка седла. Они могут быть вставлены прямо в отверстие магнита или сформированы в виде катушки для птичьей клетки и размещены внутри градиентных катушек. Катушка каждого типа подключается к источнику питания.

Компьютер

• 5 Компьютер поставляется производителями компьютеров и модифицирован и запрограммирован для использования в системе МРТ. К нему прикреплены пользовательский интерфейс, преобразователь Фурье, преобразователь сигналов и предусилитель. Также включены дисплей и лазерный принтер.

Окончательная сборка

• 6 Каждый из компонентов МРТ собирается вместе и помещается в соответствующую раму. Сборка может происходить на заводе или на месте, где система будет использоваться. В любом случае природа магнита обычно требует особых мер предосторожности при обращении, таких как транспортировка в транспортном средстве с пневмоподвеской.

Контроль качества

Качество каждой производимой системы МРТ обеспечивается путем проведения визуальных и электрических проверок на протяжении всего производственного процесса. Производительность МРТ проверяется, чтобы убедиться, что она работает должным образом. Эти испытания проводятся в различных условиях окружающей среды, таких как чрезмерная жара и влажность. Большинство производителей устанавливают собственные требования к качеству для производимых ими систем МРТ. Стандарты и рекомендации по производительности также были предложены различными медицинскими организациями и государственными учреждениями.

Будущее

В центре внимания текущих исследований МРТ находятся такие области, как улучшение разрешения сканирования, сокращение времени сканирования и улучшение дизайна МРТ. Способы улучшения разрешения и уменьшения времени сканирования включают уменьшение отношения сигнал / шум. В системе МРТ шум вызывается случайно сгенерированными сигналами, которые мешают интересующему сигналу. Один из способов его уменьшения - использование сильного магнитного поля. Усовершенствованная конструкция систем МРТ также поможет уменьшить эти помехи и уменьшить шум, связанный с электромагнитами. В будущем должны быть доступны МРТ в реальном времени.