Основные физические принципы магнитно-резонансной томографии глазами врача-радиолога

Основные физические Основные физические принципы магнитно-принципы магнитно-

резонансной томографиирезонансной томографииглазами врача-радиологаглазами врача-радиолога

А.В. Рябикин

Научно-практический центр лучевой диагностики

АМН Украины

Киев

Этапы МР исследованияЭтапы МР исследования

1. Пациент помещается в магнитное поле МР томографа.

2. Пациент подвергается воздействию радиочастотного импульса.3. Воздействие радиочастотного импульса

прекращается,4. пациент излучает радиосигнал, который

улавливается и используется для…5. …реконструкции изображения.

1-й этап МР исследования1-й этап МР исследования

Пациент помещается в магнитное поле МР томографа



Что происходит с протонами, когда мы помещаем их во внешнее магнитное поле?

С

Ю

Параллельные протоны

Антипараллельные протоны


Ю


Прецессия

С


0 = В0 Уравнение Лармора, где

0 – частота прецессии (в Гц или МГц),

В0 – сила магнитного поля (в Т),

– гиромагнитный коэффициент

Информация к Информация к размышлению:размышлению:

Лармор Джозеф (1857 - 1942), английский физик. Занимался электродинамикой движущихся сред, электронной теорией, математической физикой. В 1895 г. указал на существование явления т.н. прецессии Лармора.

Система координат


Z

X

Y

Ю

С

1-й этап МР исследования1-й этап МР исследованияZ

X

Y

A

A’

Z

X

Y

Мобильные протоны


Суммарный магнитный момент (продольная намагниченность)

Z

X

Y

A A’B

B’

Каким образом можно измерить продольную

намагниченность?


Пациент подвергается воздействию

радиочастотного импульса

Магнитный резонанс:Магнитный резонанс:

Радиочастотный импульс передает энергию протонам, часть из которых переходит на

высокий энергетический уровень, что приводит к изменению направления вектора

суммарной намагниченности.

Необходимое условие:Необходимое условие:

Радиочастотный импульс должен обладать частотой, равной частоте прецессии

протонов.

2-й этап МР исследования2-й этап МР исследованияРадиочастотный

импульсZ

X

Y

Z

X

Y

Радиочастотный импульс

Z

X

Y

Z

X

Y



X

Y

Поперечная намагниченность


Принимающая антенна


Воздействие радиочастотного импульса прекращается


Вопрос 1:

что происходит с продольной

намагниченностью?


X

Y


X

Y


X

Y


Продольная намагниченность

Время

Продольная (спин-решеточная) релаксация

Т1

Продольная Продольная (спин-решеточная) (спин-решеточная)

релаксация Т1релаксация Т1 Обусловлена переходом энергии от протонов к

окружающей их молекулярной решетке Т1 для биологических тканей колеблется от

300 до 2000 мс Описывается временной константой 1/Т1

(темпом продольной релаксации) Темп релаксации показывает, за какое время

происходит восстановление продольной намагниченности до 63% от ее первоначального значения


Вопрос 2:

что происходит с поперечной намагниченностью?

Z

X

Y


Z

X

Y


Z

X

Y



Поперечная намагниченность

Время

Поперечная (спин-спиновая) релаксация

Т2

Поперечная Поперечная (спин-спиновая) (спин-спиновая) релаксация Т2релаксация Т2

Обусловлена воздействием на протон магнитных полей окружающих атомов и молекул (локальная неоднородность магнитного поля), неоднородностью внешнего магнитного поля

Т2 для биологических тканей колеблется от 30 до 150 мс

Поперечная релаксация описывается временной константой 1/Т2 (темпом поперечной релаксации)

Темп релаксации показывает, за какое время происходит снижение поперечной намагниченности до 37% от ее исходного значения

Намагниченность

Время

Т2Т1

Практический моментПрактический момент

Вода имеет длинные времена Т1, Т2

Жир имеет короткие времена Т1, Т2

Эксперимент 1Эксперимент 1Z

X

Y


X

Y

900

Эксперимент 1Эксперимент 1


Z

X

Y


X

Y


X

Y


X

Y


X

Y



Z

X

Y


X

Y


Z

X

Y


X

Y


X

Y


X

Y

Спад свободной индукцииСпад свободной индукции((FID – FID – FFree ree IInduction nduction DDecay)ecay)

Z

X

Принимающая антенна

Спад свободной индукцииСпад свободной индукции((FID – FID – FFree ree IInduction nduction DDecay)ecay)

Намагниченность

Время


ТРдлинное

Ткань А

Ткань В




Ткань А

Ткань В


ТРкороткое


Продольная (спин-решеточная) Продольная (спин-решеточная) релаксация двух различных тканейрелаксация двух различных тканей

Интенсивность сигнала

Время

Т1

Мозговая ткань

Ликвор

ТР(Д)ТР(К)

Последовательность Последовательность радиочастотных импульсов радиочастотных импульсов

(РЧИ)(РЧИ) совокупность из двух и более РЧИ (900, 1800 и

др.) называется последовательностью РЧИ время ТР (TR – “Time to Repeat”) – это

интервал, через который повторяется последовательность РЧИ

ТР длинное – более 1500 мс ТР короткое – менее 500 мс

Получение Т2-взвешенных Получение Т2-взвешенных изображенийизображений

Дефазирование протонов после прекращения воздействия РЧИ


1800


ТЕ/2

Рефазирование протонов после 1800 РЧИ

ТЕ1

Эхо-сигнал

ТЕ2

Эхо-сигнал

ТЕ3

Эхо-сигнал

1800

РЧИ1800

РЧИ1800

РЧИ

Т2Т2*


Поперечная (спин-спиновая) релаксациядвух различных тканей


Время

Т2

Мозговая ткань

Ликвор

ТЕ(Д)ТЕ(К)

Интервал ТЕИнтервал ТЕ

ТЕ – время до эхо (“Time to Echo”)

ТЕ (длинное) – более 80 мс

ТЕ (короткое) – менее 30 мс

Последовательность РЧИ Последовательность РЧИ спин-эхоспин-эхо

МР изображение

ТРТЕ2

ТЕ2

ТЕ

1800 1800900 900

Сигнал

Время

Поперечная релаксация

Продольная релаксация

ТР ТЕ

Какое изображение мы получим, если выберем длинный интервал

ТР и короткий интервал ТЕ?

Изображение, взвешенное Изображение, взвешенное по протонной плотностипо протонной плотности


ТРТЕ

Время

Изображение, взвешенное Изображение, взвешенное по протонной плотностипо протонной плотности

TР: >1500 мс

TE: <30 мс

А что получится, если выбрать длинный интервал ТР и длинный интервал ТЕ?

Т2-взвешенное Т2-взвешенное изображениеизображение


ТР ТЕ Время


TР: >1500 мс

TE: > 80 мс

А если выбрать короткий интервал ТР и короткий

интервал ТЕ?



ТРТЕ

Время


TР: 500-800 мс

TE: <30 мс

Последовательности РЧИПоследовательности РЧИ


ТР

900 900 900 900

Последовательность РЧИ с восстановлением насыщения


ВремяТР(Д)ТР(К)

Ткань А

Ткань Б

Т1-взвешенное изображение

Изображение, взвешенное по протонной плотности

Последовательности РЧИПоследовательности РЧИ


ТР

ТЕ

1800 1800900 900

Последовательность РЧИ спин-эхо

Последовательности РЧИПоследовательности РЧИПоследовательность РЧИ инверсия-восстановление

18001800 900900

ТРТI


ТI

1800 900

Т1-взвешенные изображения

Время получения Время получения изображенияизображения

Рассчитывается по формуле:

a.t. = TR * Nex * N, где:

a.t. – acquisition time,TR – ТР (“time to repeat”),

Nex – количество повторений РЧИ (влияет на отношение «сигнал-шум»),

N – матрица изображения (например, 256х256 или 512х512)

Как сократить время Как сократить время исследования?исследования?

Многослойное получение изображений Замена 1800 РЧИ градиентным эхо Использование угла отклонения (“flip angle”)

менее 900 (10-350)

Сокращение времени Сокращение времени исследованияисследования

Для достижения малых углов отклонения требуется РЧИ меньшей длительности

Нет 1800 РЧИ , на генерирование и проявление эффектов от которого требуется время

Не нужен длительный интервал ТР, т.к. при малом угле отклонения сохраняется значительный уровень продольной намагниченности

Быстрые Быстрые последовательности РЧИпоследовательности РЧИ

GRASS (Gradient Recalled Acquisition at Steady State )

FLASH (Fast Low Angle Shot)

Принцип получения Принцип получения послойного изображения послойного изображения

Градиентное магнитное

поле

Выбор толщины Выбор толщины исследуемого слояисследуемого слоя


а) за счет изменения диапазона радиочастотного импульса


б) за счет изменения крутизны градиента магнитного поля

Градиент, кодирующий Градиент, кодирующий частотучастоту

Градиент, кодирующий Градиент, кодирующий частотучастоту

Градиент, кодирующий фазуГрадиент, кодирующий фазу

Частотный градиент

Фазовый градиент

Факторы, влияющие на Факторы, влияющие на интенсивность МР сигналаинтенсивность МР сигнала

водородная плотность время Т1 время Т2 последовательность РЧ импульсов интервал ТР интервал ТЕ интервал ТИ угол отклонения (“flip angle”) кровоток использование контрастных средств

КровотокКровоток

“Flow void” – выпадение МР сигнала от кровотока

Механизм действия МР Механизм действия МР контрастных веществконтрастных веществ

Парамагнетические вещества, такие, как Гадолиний-ДТПА, сокращают Т1 и Т2 окружающих протонов (эффект «усиления протонной релаксации»). Это приводит к усилению сигнала на Т1-взвешенном изображении, а на Т2-взвешенном – к ослаблению

Получение Т1-взвешенных изображений после введения контрастного средства является наиболее предпочтительной методикой.

Diffusion-weighted imagesDiffusion-weighted images

ПРЧИ: SE, FSE, EPI, SSFP, SENSE, PROPELLER

Величина b: ≈1000 s/mm2




Экстра-H2O → Интра-H2O

↓ проницаемости мембран↓ V интерстициального пространства↑ вязкости в/к жидкости => ↓ в/к диффузии↓ энергозависимой в/к циркуляции

Diffusion-tensor imagesDiffusion-tensor images



Типы МР томографовТипы МР томографов

Различают МР томографы сo слабым (менее 0,5 Т),o средним (0,5-1,0 Т),o сильным (1,5 Т),o сверхсильным (более 1,5 Т)

магнитным полем.

Типы магнитов, Типы магнитов, используемые в МР используемые в МР

томографахтомографах

• Постоянные магниты• Резистивные магниты• Сверхпроводящие магниты

История: отцы-основателиИстория: отцы-основателиJean Baptiste Joseph Fourier

История: отцы-основателиИстория: отцы-основателиWolfgang Pauli

1924 – квантовое спиновое число для электронов,1925 – принцип исключения Паули(НП – 1945)

История: отцы-основателиИстория: отцы-основателиGeorge Uhlenbeck

1925 – концепция электронного спина

История: отцы-основателиИстория: отцы-основатели

Isidor Isaac Rabi1938 – “A New Method of Measuring

of Nuclear Magnetic Moment” (НП – 1945)

Cornelis Jacobus GorterФеномен парамагнитной релаксации


Евгений Завойский1944-1945 – электронный

парамагнитный резонанс

Felix Bloch Mills Purcell1946 – открытие феномена магнитного резонанса,

НП - 1952


Paul Lauterbur1973 – первое МР изображение двух

пробирок с водой

Sir Peter Mansfield•ЯМР дифракция в твердых телах

•Получение послойных МР изображений•Эхо-планарные изображения

НП - 2003


Raymond V. Damadian, MDFONAR

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!

Technology

Основные физические принципы магнитно-резонансной томографии глазами врача-радиолога