Магнитно-резонансная томография МРТ
Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод визуализации внутренних органов человека, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).
Ткани человеческого тела содержат большое количество протонов – ядер атомов водорода: в составе воды, в каждой молекуле органического вещества – белках, жирах, углеводах, других молекулах... Протон же – это элементарная частица, обладающая собственным магнитным моментом в заданном однородном магнитном поле. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы случайным образом.
Если же поместить атомы водорода в сильное постоянное магнитное поле, магнитные моменты протонов ориентируется либо по направлению магнитного поля, либо в противоположном направлении.
Теперь воздействуя на эти протоны электромагнитным излучением резонансной частоты (к счастью, эта частота радиоволн, абсолютно безопасная для человека), мы заставляем часть протонов поменять свой магнитный момент на противоположный. А после снятия внешнего магнитного поля они возвращаются в исходное состояние, выделяя при этом квант энергии в виде электромагнитного излучения, которое и регистрируется томографом.
Эффект ЯМР можно получить не только на протонах, но и на любых изотопах, имеющих ненулевой спин (то есть вращающихся в определённом направлении), достаточно распространённых в природе. К таким изотопам можно отнести 2Н, 31Р, 23Na, 14N, 13C, 19F и некоторые другие.
История МРТ
В 1937 году Исидор Айзек Раби, профессор Колумбийского университета обнаружил явление поглощения электромагнитной энергии, ядрами атомов, помещённых в сильное магнитное поле. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году.
Чуть позже две группы физиков первая под руководством Феликса Блоха, вторая – Эдварда М. Парселла, зарегистрировали обратный эффект – излучение электромагнитной энергии после отключения сильного магнитного поля. За это оба в 1952 глду также удостоились Нобелевской премии по физике.
В 1949 году Норман Фостер Рамзей (Norman Foster Ramsey, 1915— 2011) сформулировал теорию химического сдвига, суть которой в том, что ядро любого атома может быть опознано по изменению резонансной частоты, а любую молекулярную систему может описать её спектр поглощения. Эта теория стала основой магнитно-резонансной спектроскопии. С 1950 по 1970 годы ЯМР использовался именно для молекулярного анализа в спектроскопии. Спустя сорок лет, в 1989 году Рамзей получил за свою теорию Нобелевскую премию по химии.
В 1971 году физик Раймонд Дамадьян открыл возможность применения ЯМР для обнаружения опухолей. В опытах над животными он показал, что сигнал магнитного резонанса протонов водорода в злокачественных тканях сильнее, чем от здоровых. Семь лет ушло у команды Дамадьяна ушло на разработку и создание первого магнитно-резонансного сканера для медицинских целей. В 1972 году химик Пол Кристиан Лотербур сформулировал принципы отображения ЯМР, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумерных изображений.
В 1975 году Ричард Эрнст (Ernst Richard, 1933) предложил использовать в МРТ фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразования. Методы, используемые в МРТ и в настоящее время. В 1991 году Ричард Эрнст удостоился Нобелевской премии по химии за вклад в развитие методологии спектроскопии ЯМР высокого разрешения.
В 1976 году Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI) — методику, основанную на сверхбыстром переключении градиентов магнитного поля. Благодаря которой время получения изображения сократилось с нескольких часов до нескольких десятков минут.
В 2003 году Питер Мэнсфилд и Поло Лотенбур разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изобретение метода магнитно-резонансной томографии.
Типы МРТ
- Трактография или диффузионно-тензорная МРТ – метод позволяет определять направление и тензор (силу диффузии) молекул воды в тканях: клетках, сосудах, нервных волокнах. Результатом сканирования является карта диффузии. Этот метод популярен в исследованиях ЦНС, он позволяет хорошо визуализовать нейронные связи между различными отделами головного мозга и оценить целостность проводящих путей мозга.
- МР-ангиография. Метод визуализации кровеносных сосудов, базируется на отличии сигналов протонов в движущейся крови от сигналов протонов в неподвижных тканях.
- Функциональная МРТ. Метод основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга.
- МР-спектроскопия. Метод позволяет проводить молекулярный анализ с целью выявления определённых метаболитов (лактата, креатинина, N-ацетиласпартата и многих других) в тканях, на основании чего делаются выводы о наличии заболеваний и их динамике.
Высокая разрешающая способность, безвредность и безопасность делают МРТ самым популярным и перспективным методом исследования в клинической практике, несмотря на относительную дороговизну.
Применение МРТ, а особенно функциональной МРТ (фМРТ) имеет огромные перспективы в нейронауках. С помощью фМРТ можно исследовать зависимость активности участков мозга от уровня насыщения его тканей кислородом. Снова можно строить карту мозга.
Последние три метода исследования головного и спинного мозга – рентген, компьютерная томография и МРТ дают колоссальные возможности в диагностике патологий и исследовании активности мозга, но ни на шаг не приближают нас к пониманию принципов возникновения, передачи и хранения информации в нервной ткани.