Принципы томографии

Московский Энергетический Институт

(Технический Университет)

Реферат по курсу «Биофизика»

на тему: «Принципы томографии»

Выполнила: А. О.

Группа: ЭР-16-07

Преподаватель:

Лобов Г. Д.

Москва, 2010 г.

Предисловие

За последние годы метод магнитно-резонансной томографии (МРТ) стал популярным методом формирования послойных изображений внутренней структуры органов. Это не случайно; метод МРТ прошел стремительный поэтапный цикл развития, начиная со дня открытия. Сегодня почти каждая больница или клиника для диагностики патологии имеет один или несколько МР сканеров, позволяющих получать более точные и четкие изображения внутренних органов. В настоящее время метод продолжает активно развиваться.

В сочетании с превосходным контрастным разрешением изображения, МРТ безопасна для человека, в пределах разумного, за счет использования радиоволн и магнитного поля, в отличие от рентгеновских и КТ исследований, применяющих рентгеновское излучение.

По мере распространения МРТ повышается потребность в более квалифицированном персонале. С разработкой каждого нового программного обеспечения управление МР сканером упрощается, но необходимость надлежащего понимания принципов работы МРТ остается. В МРТ используются такие совокупности параметров, как время повторения, время эхо, угол переворота, фазовое кодирование и др. Понимание этих параметров важно для получения качественных МР изображений.

Содержание

томограф ядерный магнитный резонанс

Предисловие

Из истории МРТ

Почему МРТ?

Исследование МР томографии и устройство МР томографа.

Физические основы явления ЯМР

Энергетические уровни

Переходы

Диаграммы энергетических уровней

Стационарный МР метод

Статистика Больцмана

Спиновые пакеты

T1-процессы

T2-процессы

Вращающаяся система координат

Импульсные магнитные поля

Спиновая релаксация

Уравнения Блоха

Сбор данных

Вычисление и вывод на экран

Аппаратное обеспечение

Типы магнитов

РЧ катушки

Заключение

Список литературы

Из истории МРТ

История МРТ начинается приблизительно в 1946 году, когда Феликс Блох открыл новые свойства атомного ядра, за что ему была присуждена Нобелевская премия. Он установил, что ядро ведет себя подобно магниту, а заряженная частица, такая как протон, вращающаяся вокруг собственной оси, имеет магнитное поле, известное как магнитный момент ядра. Открытие было сведено им в уравнение, названное уравнением Блоха. Теоретические исследования были подтверждены экспериментально в начале 1950-х годов. В 1960 году были разработаны спектрометры ядерно-магнитного резонанса для аналитических целей. На протяжении 1960 и 1970 годов ЯМР спектрометры широко использовались в академических и индустриальных исследованиях. Спектрометрия используется для анализа молекулярного строения вещества, основанного на его ЯМР спектре.

В конце 1960 годов Раймонд Дамадиан обнаружил, что злокачественная ткань отличается от нормальной ЯМР параметрами. Он предположил, что на основании этих различий можно характеризовать ткани. Опираясь на это открытие, в 1974 году он получил первое ЯМР изображение опухоли у крысы. В 1977 году Дамадиан и его помощники сконструировали первый сверхпроводящий ЯМР сканер и получили первое изображение тела человека, сканирование которого заняло почти 5 часов.

Одновременно Пол Лаутербур проводил подобные исследования в этой же области. Вопрос о том, кто же является родоначальником МРТ спорный, хотя, следует признать, что оба ученых внесли свой вклад.

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения.

Впоследствии в начале 1980 годов почти каждый производитель оборудования для получения медицинских изображений разрабатывал и производил МР сканеры. За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. Томография позволяет визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным неинвазивно (без вмешательства) исследовать функцию органов — измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ).

Почему МРТ?

Изображение тела пациента, полученное с помощью рентгеновского излучения, малоинформативно, так как обладает низким общим контрастным разрешением. Чтобы увеличить контраст изображения, можно менять контраст среды, применяя контрастные вещества на основе бария или йода. С помощью КТ сканеров можно получить изображения с гораздо большим контрастом для обнаружения поражений мягких тканей.

В большинстве случаев МРТ предоставляет гораздо более широкие возможности для диагностики, чем компьютерная томография. Так, магнитно-резонансная томография  позволяет получить изображения высокой точности структуры головного и спинного мозга .

Также магнитно-резонансная томография лучше, чем компьютерная диагностика, выполняет анализ состояния мягких тканей – мышц, связок, жировой ткани, и так далее. Заболевания и нарушения внутренних органов, суставов и костей также прекрасно определяются при МРТ диагностике, но вот состояние полых органов (легких, кишечника, желудка и т.д.) лучше проверять при помощи компьютерной томографии. Принцип МРТ основан на резонировании атомов водорода, а полости, таким образом, аппарату практически неподвластны. Однако при использовании специальной рентгеновской пленки пространственное разрешение рентгеновских изображений отличное. Это особенно полезно при исследовании структуры кости.

В этом случае пространственное разрешение МРТ уступает рентгену.

Вообще, рентген и КТ используются для визуализации структуры кости, тогда как МРТ полезна для обнаружения повреждений мягких тканей.

Исследование МР томографии и устройство МР томографа

Прежде всего, пациента помещают внутрь большого магнита, где имеется довольно сильное постоянное (статическое) магнитное поле, ориентированное в большинстве аппаратов вдоль тела пациента. Под воздействием этого поля ядра атомов водорода в теле пациента, которые представляют собой маленькие магнитики, каждый со своим слабым магнитным полем, ориентируются определенным образом относительно сильного поля магнита. Добавляя слабое переменное магнитное поле к статическому магнитному полю, выбирают область, изображение к. надо получить.

Затем пациента облучают радиоволнами, причем частоту радиоволн подстраивают таким образом, чтобы протоны в теле пациента могли поглотить часть энергии радиоволн и  изменить ориентацию своих магнитных полей относительно направления статического магнитного поля. Сразу же после прекращения облучения пациента радиоволнами протоны станут возвращаться в свои первоначальные состояния, излучая полученную энергию, и это переизлучение будет вызывать появление электрического тока в приемных катушках томографа.

Зарегистрированные токи являются МР сигналами, к. преобразуются компьютером и используются для построения (реконструкции) МРТ.

Соответственно этапам исследования основными компонентами любого МР томографа являются:

• магнит, создающий постоянное (статическое), так называемое внешнее,

• магнитное поле, в которое помещают пациента

• градиентные катушки, создающие слабое переменное магнитное поле в центральной части основного магнита, называемое градиентным, которое позволяет выбрать область исследования тела пациент

• радиочастотные катушки - передающие, используемые для создания возбуждения в теле пациента, и приемные - для регистрации ответа возбужденных участков

• компьютер, который управляет работой градиентной и радиочастотной катушек, регистрирует измеренные сигналы, обрабатывает их, записывает в свою память и использует для реконструкции МРТ.

Всякое магнитное поле характеризуется индукцией магнитного поля, которую обозначают В. ( [B] = 1 Тл )

В МРТ в зависимости от величины постоянного магнитного поля различают несколько типов томографов:

• со сверхслабым полем 0,01 Тл - 0,1 Тл

• со слабым полем 0,1 - 0,5 Тл

• с средним полем 0,5 - 1.0 Тл

• с сильным полем 1.0 - 2,0 Тл

• со сверхсильным полем >2,0 Тл

Физические основы явления ЯМР

Водород – не единственный элемент, который можно использовать для формирования МРТ изображений. Почти каждый элемент периодической таблицы имеет изотоп с ядерным спином, отличным от нуля.

ЯМР может быть представлен только на тех изотопах, чья встречаемость в природе достаточна велика для обнаружения. Можно применять любой элемент, который имеет нечетное число частиц в ядре. Вот некоторые элементы, которые могут использоваться.

Подходящие элементы для МРТ.

Энергетические уровни

Для понимания того, как частицы со спином ведут себя в магнитном поле, представим протон.  Этот протон обладает свойством, называемым спином. Представим, что спин этого протона, является вектором магнитного момента, который заставляет протон вести себя как очень маленький магнит с северным и южным полюсами.

Когда протон помещен во внешнее магнитное поле, вектор спина располагается как магнит, по отношению ко внешнему полю. Состояние, когда полюса расположены N-S-N-S, является низкоэнергетическим  , а N-N-S-S - высокоэнергетическим.

Переходы

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, , через постоянную Планка (h = 6.626x10-34 Дж с).

E = h 

В ЯМР и МРТ величина  называется резонансной или частотой Лармора.

Диаграммы энергетических уровней

Энергия двух состояний спина может быть представлена с помощью диаграммы энергетических уровней.

Известно, что  =  B и E = h , поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией

E = h  B

Когда энергия фотона соответствует разнице между двумя состояниями спина, происходит поглощение энергии. В ЯМР экспериментах частота фотона соответствует радиочастотному (РЧ) диапазону. Для ядер водорода в ЯМР-спектроскопии,  находится в пределах 60 и 800 MГц. В клинической МРТ, для отображения водорода,  как правило находится между 15 и 80 MГц.

Стационарный МР метод

Самым простым ЯМР исследованием является стационарный МР (или свип-МР) метод. Существуют два пути проведения этого эксперимента. При первом, непрерывное РЧ облучение с постоянной частотой, исследует энергетические уровни, в то время как магнитное поле варьируется. Энергия этой частоты представлена синей линией на диаграмме энергетических уровней.

Стационарный метод может также быть проведен с постоянным магнитным полем, когда варьируется частота. Величина постоянного магнитного поля представлена положением вертикальной синей линией на диаграмме энергетических уровней.

Статистика Больцмана

Когда несколько спинов помещены в магнитное поле, каждый принимает одну из двух возможных ориентаций.

При комнатной температуре количество спинов на нижнем энергетическом уровне, N+, незначительно превосходит количество на верхнем уровне N-. Статистика Больцмана показывает, что

N-/N+ = e-E/kT.

Е - разность энергии между спиновыми состояниями,

k - постоянная Больцмана

(1.3805x10-23 Дж/К) и Т - абсолютная температура.

При уменьшении температуры уменьшается отношение N- /N+. При увеличении температуры отношение увеличивается.

Сигнал в ЯМР-спектроскопии получается из разности между поглощенной энергией спинами, которые подверглись переходу с более низко энергетического уровня на более высокий и энергией, испускаемой спинами, которые одновременно перешли с более высокого энергетического уровня на более низкий. Сигнал пропорционален разности в заселенностях уровней. ЯМР является достаточно чувствительной спектроскопией, поскольку может различать такие небольшие различия в заселенностях. Резонанс или энергетический обмен между спинами и спектрометром на определенной частоте придают ЯМР такую чувствительность.

Спиновые пакеты

Весьма обременительным является описание ЯМР на микроскопическом уровне. Макроскопическая картина более удобна. Первым шагом к созданию макроскопической картины определим спиновый пакет. Спиновый пакет - это группа спинов испытывающих на себе одну и ту же силу магнитного поля. В этом примере, спины внутри каждой секции решетки представляют собой спиновый пакет.  В любой момент времени магнитное поле, соответствующее спинам в каждом спиновом пакете может быть представлено вектором намагниченности.

Величина каждого вектора пропорциональна (N+ - N-).

Сумма всех векторов намагниченности всех спиновых пакетов является суммарной (общей) намагниченностью. Для описания импульсного ЯМР необходимо пользоваться термином суммарной намагниченности.

Для преобразования в общепринятую ЯМР систему координат, внешнее магнитное поле и вектор общей намагниченности направляются вдоль оси Z.

T1-процессы

В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля Bo и называется равновесной намагниченностью Mo. В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности MZ равна Mo. Еще MZ называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (MX или MY) намагниченности нет. 

Страницы: 1, 2