Современные виды томографии - часть 10

дор Раби исследовал явление ЯМР в молекулярных лучах. Радио-частотная
(РЧ) энергия поглощается или испускается атомными ядрами образцов, по-
мещенных в сильное магнитное поле. Для эффективного поглощения радио-
частота должна иметь определённое значение и называется частотой резо-
нанса или частотой Лармора. Частота Лармора определяется силой магнит-
ного поля и атомным ядром. В 1944 г. Раби получил Нобелевскую премию
по физике.

В 1945 г. две независимых группы американских физиков под руково-

дством Феликса Блоха (Станфорский университет) и Эдварда М. Парселла
(Гарвардский университет) наблюдали явление ЯМР в твёрдых телах и
впервые получили сигналы ядерного магнитного резонанса, продемонстри-
ровав явление ЯМР в блочных материалах, за что оба в 1952 были удостое-
ны Нобелевской премии физике.

В 1949 Норман Ф. Рамсей сформулировал теорию химического сдвига.

Атомные  ядра  можно  идентифицировать  по  малому  изменению  резонанс-
ной  частоты,  зависящему  от  электронного  окружения  молекулы,  и  т.о.  мо-
лекулярная система может быть описана ее спектром поглощения. Это стало
зарождением  магнитно-резонансной  спектроскопии.  Чувствительность  экс-
перимента была низка: каждая резонансная частота (для каждого вида ядер)
возбуждалась  отдельно.  Чтобы  достичь  приемлемого  соотношения  сигнал-
шум, для усреднения требовалось много измерений и эксперименты прохо-
дили  чрезвычайно  медленно  [12].  В 1989 получил  Рамсей  Нобелевскую
премию по химии.

В период с 1950 по 1970 годы, ЯМР развивался и использовался для хи-

мического и физического молекулярного анализа в спектроскопии. При
этом исследуемый образец помещали в однородное магнитное поле, а полу-
чаемая информация, в виде ЯМР спектров и времен релаксации спинов, от-
носилась ко всему объему образца, не выявляя его пространственной струк-
туры.

В 1971 г. физик Раймонд Дамадиан (Бруклинский Медицинский Центр,

США)  показал  возможность  применения  ЯМР  для  обнаружение  опухолей.
Его  опыты  на  крысах  показали,  что  сигнал  водорода  от  злокачественных
тканей  сильнее,  чем  от  здоровых  [5].  Злокачественные  ткани  имеют  резко
увеличенное  время  релаксации,  а  время  релаксации  нормальных  тканей
также меняется. Используя эти результаты, Дамадиан положил начало при-
менению магнитного резонанса в медицине, включая диагностическое ото-
бражение всего тела. Изображение живой крысы Дамадиан получил исполь-
зуя метод магнитной фокусировки, при этом дополнительно был применен
известный метод синхронного детектирования, широко используемый в тех-
нике поиска экстремума. Дамидиан и его команда потратили 7 лет на разра-
ботку и создание первого МРТ сканера для медицинского отображения че-
ловеческого тела.

В 1972 г. химик Пол К. Лаутербур (Государственный университет Нью-

Йорка, США) сформулировал принципы ЯМР отображения, предложив ис-
пользовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумер-
ного  МР-изображения  [14].  Сдвиг  резонансной  частоты,  возникающий  из
наложения градиентов магнитных полей в трех плоскостях (Gx, Gy и Gz.),
может использоваться для создания картины двухмерного пространственно-
го  распределения  протонов.  В  своем  ставшем  классическим  эксперименте,
Лаутербур  использовал  переменные  градиенты  магнитного  поля  для  того
чтобы  зафиксировать  и  разделить  сигналы  от  двух  малых  образцов  воды,
находящихся в пробирках диаметром 1 мм [20]. Таким образом было полу-
чено первое ЯМР изображение (рис. 22). Лаутербур предсказал потенциаль-
ное  использование  этого  метода  для  отображения  мягкотканых  структур  и
злокачественных опухолей.

Рис. 22. Первое ЯМР-изображение

В 1975 г. Ричард Эрнст (Швейцария) предложил использовать в МР то-

мографии фазовое и частотное кодирование и Фурье преобразования, метод,
который используется в МРТ в настоящее время. В 1991 г. за достижения в
области импульсной МР томографии Эрнст был удостоен Нобелевской
премии по химии.

В 1976 Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное

отображение (EPI), самую общую быструю ЯМР методику. Однако только в
1987  г.  усовершенствования  оборудования  сделало  возможным  получение
EPI изображений в клинической практике примерно за 30 мс, что позволило
создавать кино-изображения сердечного цикла в реальном времени. Сейчас
существуют более быстрые методы отображения, но они имеют ограничен-
ное  применение  из-за  низкого  соотношения  сигнал/шум.  В 2003 г.  Мэнс-
филд  получил  Нобелевскую  премию  в  области  медицины  за  достижения  в
области ЯМР томографии.

3 июля 1977, спустя почти 5 часов после начала первого ЯМР теста, бы-

ло получено первое изображение среза человеческого тела на первом прото-
типе МР сканера.

В первые годы отношение к МРТ было далеко не всегда однозначным. В

семидесятых  годах  несколько  сотен  демонстраторов  собрались  перед  цен-
тральной  больницей  американского  города,  возражая  против  установки
ЯМР томографа. Их главное требование было установить его на безопасном
расстоянии от центра города и любой пригодной для жилья области. Кроме
того,  отсутствие  мер  безопасности  также  вызывало  беспокойство  демонст-
раторов.

В период c 1980-х по наши дни продолжалось развитие ЯМР методов и

оборудования. В 1993 был создан функциональный МРТ (fMRI), позволяю-
щий создавать карту функций различных областей мозга. Развитие fMRI от-
крыло новое применение EPI метода в картографии областей мозга, ответ-
ственных за мышление и контроль движения. В 1994 исследователи в Госу-
дарственном университете Нью-Йорка показали отображение гиперполяри-
зованного

129

Xe газа для исследований дыхания. Сегодня МРТ используется

не только в медицине для создания анатомических изображений с простран-
ственным разрешением менее 1 мм, изучения потоков крови, перфузии,
диффузии, функций органов, но и в области химии, физики, биологии и свя-
занных с ними дисциплин.

2.2. Физические основы МРТ

Для проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в

мощное, статическое и однородное в пространстве (в идеальном случае)
магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макро-
скопическую ядерную намагниченность.

В ЯМР томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих

ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являют-
ся водород

Н,

Н, углерод

С, азот

N, фтор

F, натрий

Na, фосфор

Р.

Чаще всего в МРТ используются протоны водорода

Н по двум причинам:

высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному со-
держанию в биологических тканях.

Ядро водорода (т.е. отдельный протон) имеет два важных свойства:

электрический заряд и спин. Магнитный момент

μ пропорционален кванто-

вому числу

I , обычно называемому ядерным спином:

;

(16)

Также ядро имеет магнитное поле, взаимодействующее с внешним маг-

нитным полем

B . При помещении протона в поле

B система может нахо-

диться только в двух энергетических состояниях: низкоэнергетическом
(магнитный момент направлен параллельно

B ) и высокоэнергетическом

(магнитный момент антипараллелен

B ). В состоянии равновесия большее

количество спинов (

N ) будет находиться в состоянии с меньшей энергией,

чем в состоянии с большей энергией (

−

N ). В

H ЯМР при комнатной темпе-

ратуре в магнитном поле 0,25Тл разность спинов, направленных вдоль и
против магнитного поля - один протон на миллион.

Разность энергий E

Δ между этими двумя состояниями определяется

следующим уравнением:

(17)

где

γ - гиромагнитное отношение (зависит от размера и формы ядра), h -

постоянная Планка,

ω - частота электромагнитного излучения, необходи-

мая для перехода между двумя состояния.

Согласно классической картине атомное ядро, считаемое сферическим,

вращается вокруг оси и создаёт ядерный или внутренний угловой момент

P :

)

(

P h

;

(18)

где

Спин ядра может иметь значения

I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2,…до 7.

Если ядро с угловым моментом

P и магнитным моментом

μ помещено

в статическое сильное магнитное поле

B , ориентация углового момента

содержание .. 8 9 10 11 ..