Как МР Томограф выделяет различные участки тела ( срезы )

Вы помните, что человеческое тело (около 70%) состоит из воды и, следовательно, ядра водорода присутствуют во всем теле. Однако аппарату МРТ необходимо сканировать тело в определенном порядке. Он не может просто сканировать все тело мгновенно так как сигналы полученные от ядер водорода из всех частей тела в одно и то же время приведут к шуму и хаосу и мы не получим информативной картины.

Таким образом аппарат МРТ должен сканировать тело человека в определенных областях. Он должен записать сигналы от ядер водорода в одной области и затем перейти на сканирование следующей области. Для примера давайте рассмотрим сканирование головы. Предположим, что сейчас мы хотим сканировать и получить информацию сечения головы, показанной синей стрелкой. Нас интересуют ответ только от ядер водорода этой области головы (на изображении синего цвета) только эти ядра должны поглотить энергию и ответить. В то же время другие ядра водорода не должны отвечать (т.е. все красные точки)

После того как мы получим информацию из области указанной синей стрелкой, необходимо перейти к следующей области ядер водорода, расположенных в следующем срезе (желтая стрелка) и повторить процесс излучаем энергию, атомы водорода (только выделенные желтым) поглощают эту энергию и возвращают для анализа. Как и прежде ядра водорода из других областей не должны реагировать на это воздействие и отвечать (синие и красные точки).

МРТ аппарат затем переходит к сечению изображенным зеленым цветом (зеленая стрелка) и процесс продолжается до тех пор пока не будет со сканирован интересующий участок тела. Объединение информации полученной из этих различных участков позволяет в конечном итоге построить изображение каждого среза. Теперь рассмотрим вопрос каким образом аппарат МРТ способен выделить ядра водорода только в определенной области сохраняя при этом все остальные ядра водорода в полном спокойствии?

Чтобы понять, как МРТ аппарат способен выделять одну область и совершенно не затрагивать другие мы должны сначала рассмотреть понятие «резонансная частота».

Резонансная частота:
Мы уже знаем, что радиочастотная катушка (RF-катушка) излучает энергию и эта энергия поглощается ядрами водорода с низким энергетическим уровнем.

Однако вернемся к квантовой физике которая немного усложняет все процессы. По законам квантовой физики ядра водорода не поглощают любую энергию. Они на самом деле весьма избирательны в выборе энергии, которую они могут поглотить.

Ядра водорода способны поглощать энергию в очень узком диапазоне частот, и эта частота называется «резонансная частота». Энергия которая излучается ниже или выше резонансной частоты не поглощается ядрами водорода.

Поэтому МР томограф посылает радиочастотный (RF) сигнал на резонансной частоте ядер водорода.

Именно поэтому этот процесс называется Магнитно Резонансная Томография.

Резонансная частота ядра водорода напрямую зависит от силы магнитного поля в которое он помещен, зависимость прямо пропорциональная чем сильнее магнитное поле тем выше резонансная частота и наоборот. Пояснения приведены на рисунке ниже. Ядро водорода «А» находится в более сильном магнитном поле, а ядро ‘B’ находится в более слабом магнитном поле.

Так ка ядро водорода ‘A’ находится в более сильном магнитном поле, следовательно, оно имеет более высокую резонансную частоту. Для примера, скажем ядро ‘А’ имеет резонансную частоту 70 МГц (МГц = мега герц = миллионы циклов в секунду). Это значение взято в качестве примера. Фактическое значение резонансной частоты в реальном МРТ аппарате будет отличаться.

Ядро водорода «B» находится в более слабом магнитном поле. Поэтому его резонансная частота ниже. Для определенности скажем что это 60 МГц.

В дальнейшем мы объясним как зависимость величины магнитного поля и резонансной частоты позволяет аппарату МРТ сканировать только определенный участок тела за один раз.

Как упоминалось ранее, в аппарате МРТ существует сильное основное магнитное поле. Это магнитное поле однородно во всей области исследования участка тела т.е. сила магнитного поля одинакова.

Существуют специальные катушки показанные синим цветом на диаграмме ниже, эти катушки способны внести изменения в основное магнитное поле. Эти катушки изменяют магнитное поле, создаваемое основной магнитной катушкой (катушки зеленого цвета) таким образом, что одна часть тела пациента оказывается в более сильном магнитном поле, а другая часть тела в более слабом магнитном поле.

В примере, показанном ниже, при переходе от головы пациента к его ногам, становится слабее главное магнитное поле. Теперь мы можем сказать, что есть изменение магнитного поля вдоль тела пациента. Это называется «магнитный градиент» а катушки, которые изменяют основное магнитное поле, называются «градиентные катушки».

Теперь мы помним, что резонансная частота ядра водорода зависит от силы магнитного поля в которое он помещен.

И как мы видели ранее, градиентные катушки делают главное магнитное поле не одинаковым, или другими словами есть градиент магнитного поля: сильнее на одном конце и слабее на другом конце. Это означает что от головы до ног пациента, ядра водорода подвергаются воздействию различных сил магнитного поля. Голова пациента, в нашем примере ядра водорода (синего цвета) подвергаются воздействию более сильного магнитного поля и, следовательно, имеют более высокую резонансную частоту. С другой стороны, ноги пациента, ядра водорода (зеленый цвет), подвергаются воздействию более слабого магнитного поля и следовательно, имеют более низкую резонансную частоту.

Давайте для более простого понимание рассмотрим один атом водорода в области головы (А) и один атом водорода в области ног (B). Как мы уже говорили, так как ядро А находится в более сильном магнитном поле, следовательно, оно имеет более высокую резонансную частоту (например, 70 МГц). Ядро B находится в более слабом магнитном поле и, следовательно, оно имеет более низкую резонансную частоту (например, 60 МГц).

Упростим рисунок и избавимся от диаграммы пациента, остались только два атома водорода А и В.

И вот теперь мы абсолютно готовы к тому чтобы понять, как аппарат МРТ выбирает различные области для сканирования. Представим себе, что нам необходимо изображение из области ног (т.е. мы хотим получить ответ от ядер водорода расположенных в области (B)). МРТ сканер излучает радиочастотную энергию (розовая радиочастотная катушка на диаграмме ниже) на резонансной частоте ядер водорода, которые представляют интерес в данный момент времени, в нашем случае это частота 60 МГц.

Поскольку излучаемая радиочастотная энергии с частотой 60 МГц ниже резонансной частоты ядер водорода в области (А) головы пациента, она не поглощается ядрами водорода в этой области. С другой стороны, радиочастотная энергия 60 МГц в точности совпадает с резонансной частотой ядер водорода в области (В) ног пациента. Эти ядра поглощают эту энергию изменяют направление спина и переходят в высоко-энергетическое состояние.

После того, как радиочастотная катушка прекращает излучать энергии, приемная радио катушки (показана светло зеленым цветом) принимает сигнал излучаемый атомами водорода. Этот сигнал приходит только от ядер водорода в области (В) ног, которые поглотили энергию. Остальные ядра, например в области (А) не отвечают, так как они не поглощали энергию. Таким образом аппарат МРТ может получить информацию конкретно от нижней части тела пациента.

Теперь представим что мы хотим получить изображение головы пациента, т.е. области, где расположены ядра (А). Для этого, МР томограф изменяет частоту излучения и в данный момент частота излучаемой энергии соответствует резонансной частоте ядра (А) — 70 МГЦ. Поэтому ядро водорода (А) поглощает энергию, так как излучаемая энергия соответствует его резонансной частоте, в то время как ядро (В) в области ног игнорирует эту энергию, поскольку она не соответствует его резонансной частоте.

После того, как радиочастотная катушки прекращает излучение энергии ядро (А) посылает ответный сигнал обратно.

Таким образом изменяя частоту излучаемой энергии радиочастотной катушки (например, 70, 68, 66 МГц, и так далее), МРТ сканер способен получить ответный сигнал от ядер водорода интересуемой области. Другими словами мы получаем информацию с определенного среза исследуемой области тела человека.

МРТ сканер оснащен очень мощным компьютером, который управляет различными аспектами процесса сканирования. Компьютер управляет градиентной катушкой для создания соответствующего градиента магнитного поля. Затем он управляет частотой излучаемого сигнала Радиочастотной катушки в соответствии с тем какую часть тела необходимо исследовать. Затем он собирает отраженные сигналы, которые поступают на приемные катушки от ядер водорода. Этот процесс повторяется пока не завершится сканирование требуемой части тела.

В рамках данного описания мы не будем рассматривать процесс получения изображения из полученной информации от ядер водорода. Достаточно сказать что характер возвращаемого сигнала от ядер водорода в различных тканях тела различно. Для примера, отраженный сигнал от ядер водорода в сером веществе головного мозга отличается от отраженного сигнала от ядер водорода в мышечной или костной ткани. Это задача компьютера по характеру сигнала и определить ту или иную ткань и структуру тела.

Компьютер обрабатывает всю полученную информацию и на основании этих данных строит высококачественное изображение. Безусловно, то что мы рассмотрели это очень упрощенная версия того, как на самом деле все происходит и многие законы физики математики и химиии мы не затронули. Реальный МР томограф работает по гораздо более сложному алгоритму. Однако общее представление того что с вами происходит и как это работает, когда вы попадаете в объятия этой умной и загадочной машины МРТ,  уверен вы получили.





START TYPING AND PRESS ENTER TO SEARCH