Как идентифицировать ядра водорода ?

Теперь мы готовы приступить непосредственно к рассмотрению как работает магнитно резонансный томограф. МР томограф не может так просто «видеть» ядра водорода, которые расположены в молекулах воды и распределены в теле пациента.

Необходимо сделать «нечто» с ядрами водорода, что бы мы смогли обнаружить их присутствие. Для наглядности проведем параллель с такой жизненной ситуацией. Давайте представим себе трое скандальных людей.

И эти трое человек спят в одной темной комнате. И у вас задача определить где каждый человек. Но глядя в комнату, вы никак не можете определить где они находятся, так как в комнате абсолютно темно.

Один из способов определить их местоположение это создать внешний раздражитель.  Делаем предположение что эти люди скандальные, мы должны обязательно получить от них ответ. Мы начинаем воздействовать «энергией» на темную комнату в виде банального крика «ПОДЪЕМ» и делаем это неоднократно.

И абсолютно верно что это будет раздражать спящих людей, и они будут кричать в ответ на вас. Вот теперь мы сможем точно определить откуда раздаются голоса и идентифицировать где находятся эти трое человек.

МРТ делает нечто подобное для того что бы обнаружить ядра водорода. В первую очередь ядра водорода подвергаются раздражению, а затем от них ожидают ответ, тем самым мы обнаруживаем их присутствие. Безусловно что в МРТ это происходит гораздо сложнее, чем просто кричать в темную комнату, но будем разбираться, дальнейшее описание безусловно даст нам понимание этого процесса.

Магнитно-резонансная томография, как следует из названия, одну из главных ролей играет магнит. Таким образов будем рассматривать МРТ в первую очередь как сильный магнит. Изобразим МРТ в виде упрощенной диаграммы, проведенной ниже, где магнит показан как зеленые витками провода. Магнитное поля, создаваемое магнитом представлено зелеными линиями со стрелками.

Теперь разместим пациента в магнитном поле МРТ.

Пациент, как и все мы, имеет молекулы воды распределенные по всему телу. Как описано выше, молекулы воды содержат ядра водорода, и это именно то, что представляет интерес для нашего МР томографа.

Таким образом больше не будем обращать внимание на пациента, а оставим и будем рассматривать только ядра водорода, которые находятся внутри него.

Упростим диаграмму и покажем крупным планом лишь небольшое количество ядер водорода.

Вы помните, что согласно законам квантовой физики, ядра водорода имеют свойство под названием «спин». Спин может быть «ориентирован» определенным образом в магнитном поле.

Магнитное поле делает нечто интересное с ядрами водорода. В нашем примере, показанном ниже, магнитное поле (зеленые линии) идет от вершины к основанию. Сильное магнитное поле заставляет спин (синие стрелки) ядра водорода выстраиваться вдоль магнитного поля. Некоторые из ядер водорода выстраиваются по направлению магнитного поля (нижний ряд на диаграмме) а другие ядра водорода выстраиваются в противоположном направлении (верхний ряд на диаграмме).

Как упоминалось ранее, спин у некоторых ядер водорода ориентируется в том же направлении, что и магнитное поле. Так как эти ядра выстраиваются, в том же направлении, что и магнитное поле, значит они не обладают большой энергией (по аналогии с людьми можем назвать их «ленивые»). На наших диаграммах, как показано ниже, мы будем маркировать эти ядра низкой энергии, как «Low».

Существуют также ядра водорода, которые имеют спин направленный в противоположном направлении магнитного поля. В отличие от «ленивых» ядер, которые мы видели ранее, эти ядра должны «бороться» с магнитным полем и, следовательно, иметь «высокую» энергию. В наших диаграммах, как показано ниже, мы будем обозначать их как «High».

После того как спин ядер водорода выстроились в магнитном поле, мы видим что количество ядер с низкой энергией больше чем ядер с высокой энергией.

Этот небольшой избыток ядер водорода с низкой энергией является чрезвычайно важным. Как мы увидим в дальнейшем, что именно поведение этих ядер водорода с низкой энергией делают возможным МР томографию.

Вы помните нашу историю о поиске скандальных людей в темной комнате посредством их раздражения?

Как уже упоминалось, аппарат МРТ делает нечто подобное. Только вместо того чтобы «кричать», используется «энергия» чтобы «раздражать» ядра водорода с низким энергетическим потенциалом. Давайте рассмотрим как МР томограф это делает. Аппарат МРТ имеет специальную обмотку из провода, которая используется для получения необходимой энергии и «раздражает» ядра водорода с низкой энергией. На диаграмме ниже эта катушка показана черным цветом с левой стороны.

В течение короткого периода времени через катушку пропускают электрический ток. В течение этого периода катушка излучает энергию в виде быстро меняющегося электро магнитного поля (розовые волны в диаграмме ниже). Частота (т.е. насколько часто она изменяется в течение одной секунды) этого излучения находится в диапазоне частот, обычно используемой в радиопередачах. Поэтому эту энергию часто называют «радиочастотной» энергией и катушка называется радио частотной (RF катушка).

И теперь мы можем наблюдать необычное явление которое происходит с ядрами водорода с низкой энергией. Эти ядра поглощают энергию, посланную из модуля RF катушкой.

Поглощение радиочастотной энергии изменяет энергетическое состояние ядер водорода низкой энергии. После того, как ядра низкой энергии поглощают энергию, они меняют свое направление спина и становятся ядрами с высокой энергией.

После короткого временного периода, излучение радиочастотной энергии прекращается.

Ядра водорода которые перешли в состояние высокой энергии предпочитают вернуться в прежнее состояние низкой энергии. В процессе перехода они начинают высвобождать энергию, которая была дана им (то есть ранее ленивые ядра хотят быть ленивыми снова!). Они освобождают энергию в виде волн, которые на рисунке ниже показаны красным цветом.

МР томограф имеет «приемные катушки» (синяя катушка показана ниже), которые принимают энергетические волны, посылаемые ядрами. Отдав свою энергию, ядра изменяют направление спина и возвращаются в состоянии с низкой энергией.

Приемная катушка преобразует энергию волн в электрический сигнал. Таким образом аппарат МРТ может обнаружить ядра водорода в организме.

Ниже рассмотрим обобщенную анимацию, которая демонстрирует последовательность действий происходящих в МРТ, чтобы излучить энергию, а затем принять сигналы от ядер водорода в молекулах воды.

Мы достаточно продвинулись в понимании процесса работы МРТ, однако осталось еще несколько интересных вопросов, продолжим!





START TYPING AND PRESS ENTER TO SEARCH