Магнітно-резонансна томографія

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) – томографічний метод дослідження внутрішніх органів і тканин за допомогою використання фізичного явища ядерно-магнітного резонансу. Метод базується на вимірюванні електромагнітного відклику ядер атомів водню у відповідь на збудження їх визначеною комбінацією електромагнітних хвиль у постійному магнітному полі високої напруги.

Історія створення магнітно-резонансної томографії достатньо цікава. У 1946 р. групи дослідників у Стенфордському та Гарвардському університетах незалежно одна від іншої відкрили феномен, який був названий ядерно-магнітним резонансом (ЯМР). В основі його лежав той факт, що ядра деяких атомів, знаходячись у магнітному полі, під дією зовнішнього електромагнітного поля здатні поглинати енергію, а потім випромінювати її у вигляді радіосигналу. За це відкриття F.Bloch та E.Purcell у 1952 р. отримали Нобелівську премію. Новий феномен швидко навчилися використовувати для спектрального аналізу біологічних структур. Роком заснування магнітно-резонансної томографії вважається 1973, коли професор Пол Лотербур опублікував у журналі «Nature» статтю «Створення зображення за допомогою індукованої локальної взаємодії: приклади на основі магнітного резонансу», та вперше показав можливість отримання зображення за допомогою ЯМР-сигналів. Так народилася ЯМР-томографія, яка в подальшому отримала назву МРТ. Через деякий час, Пітер Менсфілд удосконалив математичні алгоритми отримування зображення за допомогою ЯМР-сигналів. Перші томографи були продемонстровані у 1982 р. на Міжнародному конгресі радіологів у Парижі. Проте, існують документи, що магнітно-резонансну томографію винайшов у 1960 р. В.А.Іванов (і спосіб, і пристрій), що підтверджено патентом СРСР з саме такою датою пріоритету. За винахід методу магнітно-резонансної томографії у 2003 р. Пітер Менсфілд та Пол Лотербур отримали Нобелівську премію в галузі медицини. У створенні магнітно-резонансної томографії вагомий внесок має також Реймонд Дамадьян, один з перших дослідників принципів магнітно-резонансної томографії, отримувач патенту на магнітно-резонансну томографію та співавтор у створенні першого комерційного МРТ-сканера.

Метод магнітно-резонансної томографії дозволяє вивчати організм людини на основі насиченості тканин воднем та особливостей їх магнітних властивостей, пов’язаних з розташуванням у оточенні різних атомів та молекул. Ядро водню складається з одного протону, який має магнітний момент (спін) і змінює свою просторову орієнтацію у потужному магнітному полі, а також при впливі додаткових полів, що мають назву градієнтних, та зовнішніх радіохвильових імпульсів, що подаються на специфічній для протону у даному магнітному полі резонансній частоті. На основі параметрів протону (спінів) та їх векторного направлення, що можуть знаходитися тільки у двох протилежних фазах, а також їх прив’язаності до магнітного моменту протону, можливо встановити, у яких саме тканинах знаходиться той чи інший атом водню. Якщо розташувати протон у зовнішнє магнітне поле, то його магнітний момент буде або співнаправлений або протилежно направлений до магнітного моменту поля, при чому у другому випадку його енергія буде вище. При дії на досліджувану ділянку електромагнітним випромінюванням заданої частоти, частина протонів змінить свій магнітний момент на протилежний, а потім повернеться в попереднє положення. При цьому системою збору даних реєструється виділення енергії під час релаксації попередньо збуджених протонів.

Основними магнітно-резонансними характеристиками об’єктів вважають 3 параметри: щільність протонів, час Т1 та час Т2. Т1 називають спін-повздовжньою релаксацією, а Т2 – спін-поперечною релаксацією. Амплітуда зареєстрованого сигналу характеризує щільність протонів або, що те саме, концентрацію елементу в даному середовищі. Щодо часу Т1 та Т2, то вони залежать від багатьох факторів (молекулярної структури речовини, температури, в’язкості та інше). Принципово для МРТ можливо використовувати не тільки ядра водню, але і ядра інших атомів, що здатні генерувати МР-сигнали. Проте їх концентрація у тканинах значно нижча, і відповідно чутливість методу та якість зображення нижча.

Основними компонентами магнітно-резонансного томографу є: магніт (сталий, електричний резистивний або надпровідний, що створює стале магнітне поле, у якому розміщений пацієнт), градієнтні котушки (створюють слабке перемінне градієнтне магнітне поле у центральній частині сталого поля – для вибору ділянки дослідження), радіочастотні котушки (передаючі та ті, що приймають), комп’ютер (управління роботою градієнтних та радіочастотних котушок, реєстрація сигналів, обробка даних, реконструкція томограм).

Дія радіочастотних імпульсів на протони, що рухаються у магнітному полі, призводить до резонансного їх збудження та поглинання енергії. При цьому резонансна частота пропорційна силі діючого статичного поля. Після закінчення імпульсу відбувається релаксація протонів: вони повертаються в попереднє становище, що супроводжується виділенням енергії у вигляді МР-сигналу. Цей сигнал оброблюється комп’ютером.

Перші томографи мали індукцію магнітного поля 0,005 Тесла, проте якість зображення, що отримувались на них була низькою. Сучасні томографи мають потужні джерела сильного магнітного поля. У якості таких джерел використовуються як електромагніти (до 9,4 Т), так і сталі магніти (до 0,5 Т). У зв’язку з тим, що поле повинно бути потужним, застосовують надпровідні електромагніти, що працюють на рідинному гелії, у той час як сталі магніти використовують – неодимові. Магнітно-резонансний відклик тканин у МР-томографах на сталі магніти слабкіший, ніж у електромагнітах, тому застосування сталих магнітів обмежено. Сталі магніти можливо використовувати у так званих відкритих конфігураціях, що дозволяють проводити дослідження у русі, у положенні вертикально, а також дозволяють доступ лікарів до пацієнта під час дослідження та проведення маніпуляцій (діагностичних або лікувальних) під контролем МРТ – так звана інтервенційна МРТ.

Для визначення локалізації сигналу у просторі, окрім магнітів, використовують градієнтні котушки, що додають до однорідного магнітного поля градієнтні магнітні збурення. Це дозволяє локалізувати сигнал ядерного магнітного резонансу та деталізувати співвідношення ділянки, що вивчається, і отриманих даних. Дія градієнта, що зумовлює вибір зрізу, зумовлює селективне збудження протонів саме в потрібній зоні. Потужність і швидкість дії градієнтних підсилювачів відноситься до найбільш важливих показників магнітно-резонансного томографа.

Характер МР-зображень визначається трьома факторами: щільністю протонів, часом релаксації Т1 та Т2. При цьому основний вклад у створення зображення вносить аналіз часу релаксації, а не протонної щільності. Так, сіра та біла речовина головного мозку по щільності води розрізняються лише на 10%, у той час як по часу релаксації протонів у них різниця в 1,5 рази.

При другому способі МРТ інтенсивність відповідного сигналу залежить від тривалості Т2 (Т2-зважене зображення): чим коротше Т2, тим слабше сигнал і, відповідно, нижче яскравість висвітлювання екрану дисплею.

У теперішній час для отримання максимуму діагностичної інформації застосовується значна кількість високотехнологічних складних послідовностей: спін-ехо, градієнт-ехо, інверсія-відновлення, швидке спін-ехо, інверсія-відновлення з пригніченням сигналу вільної води тощо.

При МРТ можливо застосовувати штучне контрастування тканин. З цією метою застосовують хімічні речовини, що мають магнітні властивості та ті, що мають ядра з непарною кількістю протонів і нейтронів, наприклад сполуки фтору, або парамагнетики, які змінюють час релаксації води і тим саме підсилюють контрастність зображення на МР-томограмах. Одними з найбільш поширених контрастних речовин, що використовуються в МРТ є сполука гадолінія – Gd-DTPA та контрастні речовини з суперпарамагнітним оксидом заліза.

МРТ – виключно цінний метод дослідження, який дозволяє візуалізувати з високою якістю головний, спинний мозок і майже всі внутрішні органи. Сучасні методики МРТ роблять можливим неінвазивно досліджувати функцію органів – вимірювати швидкість кровотоку, руху спинно-мозкової рідини, визначати рівень дифузії у тканинах, бачити активацію кори головного мозку при функціонуванні органів, за які відповідає дана ділянка кори та багато іншого. МРТ дозволяє отримати зображення тонких шарів тіла людини у будь-якій площині – фронтальній, сагітальній, аксіальній (як відомо, при рентгенівській комп’ютерній томографії, за виключенням спіральної КТ, може бути використана тільки аксіальна площина). Дослідження необтяжливе для хворого, нешкідливе, не викликає ускладнень. На МР-томограмах краще ніж на рентгенівських комп’ютерних томограмах відображаються м’які тканини: м’язи, хрящі, жирові прошарки. При МРТ можливо отримати зображення судин, не вводячи в них контрастну речовину, можливо отримувати двохвимірне та трьохвимірне зображення судинного русла. Ультрашвидкісні МР-томографи дозволяють спостерігати рухи серця та крові у його порожнинах ісудинах, отримувати візуалізації надтонких шарів тканин.

Магнітно-резонансна дифузія – метод, що дозволяє визначити рух внутрішньоклітинних молекул води у тканинах.

Дифузна спектральна томографія – метод, оснований на магнітно-резонансній томографії, що дозволяє вивчати активні нейронні зв’язки, і широко використовується для діагностики гострого порушення мозкового кровообігу за ішемічним типом.

Магнітно-резонансна спектроскопія – метод, що дозволяє визначати біохімічні, метаболічні зміни тканин при різноманітних захворюваннях. Порушення метаболізму виникають як правило до клінічних проявів захворювання, тому на підставі данних магнітно-резонансної спектроскопії можна діагностувати захворювання на початкових стадіях розвитку.

Магнітно-резонансна ангіографія – метод отримання зображення судин за допомогою магнітно-резонансного томографа. Дослідження проводиться на томографах з індукцією магнітного поля не менше 1,0 Тесла. Метод дозволяє оцінити як анатомічні, так і функціональні особливості кровообігу. Магнітно-резонансна ангіографія грунтується на відмінностях сигналів рухомої тканини (крові) від прилеглих нерухомих тканин, що дозволяє отримувати зображення судин без використання будь-яких контрастних речовин. Але для отримання більш чіткого зображення можливо використовувати особливі контрастні речовини на основі парамагнетиків.

Магнітно-резонансна еластографія – оцінка просування механічних хвиль крізь біологічні тканини, і, відповідно, оцінка еластичних властивостей анатомічних структур за допомогою магнітного резонансу.

Функціональна магнітно-резонансна томографія – метод картування кори головного мозку, що дозволяє дослідити індивідуальне розташування та особливості мовних центрів для кожного пацієнта. Суть методу полягає у тому, що при роботі певних відділів мозку кровообіг у них підсилюється. У процесі проведення функціональної магнітно-резонансної томографії хворому пропонується виконання певних завдань, ділянки мозку з підвищеним кровообігом реєструються, їх зображення накладається на звичайну МРТ головного мозку.

Магнітно-резонансна термометрія – метод, заснований на отриманні резонансу від протонів у складі молекул води, і протонів у складі молекул жиру. Різниця резонансних коливань дає інформацію про абсолютну температуру тканин. Частота радіохвиль, що генеруються, змінюється з нагріванням або охолодженням тканин. Ця методика підвищує інформативність магнітно-резонансної томографії і дозволяє підвищити ефективність лікувальних процедур, що засновані на селективному нагріванні тканин, яке знайшло своє широке застосування в лікуванні злоякісних пухлин.

Абсолютні протипоказання до магнітно-резонансної томографії – встановлені кардіостимулятори, феромагнітні або електронні імпланти середнього вуха, великі металеві імпланти, феромагнітні осколки, кровозупиняючі кліпси судин головного мозку.

Відносні протипоказання до магнітно-резонансної томографії – інсулінові помпи, нервові стимулятори, неферомагнітні імпланти внутрішнього вуха, протези клапанів серця, кровозупиняючі кліпси (окрім судин головного мозку), декомпенсована серцева недостатність, вагітність (не зважаючи на те, що сьогодні недостатня кількість доказів відсутності тератогенного ефекта магнітного поля, метод вважається кращим ніж рентгенографія та комп’ютерна томографія), клаустрофобія, а також татуювання, що виконані з використанням барвників з вмістом металевих сполук (диоксиду титану).

З метою попередження розвитку у хворих клаустрофобії були сконструйовані відкриті МР-томографи. В них немає довгого магнітного тунелю, а постійне магнітне поле створюється шляхом розміщення магнітів збоку від хворого. Подібне конструктивне рішення не тільки дозволило звільнити пацієнта від необхідності тривалий час знаходитись у замкненому просторі, але й створило передумови для проведення інструментальних втручань під контролем МРТ.