Ядерний магнітний резонанс. Томографія

Якщо ЯМР-томограф настроїти на певну частоту радіовипромінювання та індукцію поля, то відреагують ядра певного типу атомів, наприклад водню, фосфору. Можна дослідити також ядра інших елементів. Таким чином, ЯМР-томографія дає змогу досліджувати тонкі хімічні процеси в тканинах людини. ЯМР-томографія має не лише великі діагностичні можливості, а й гарантує повну безпеку для пацієнта. Це метод візуалізації та точних вимірювань внутрішніх структур складних об'єктів без їх руйнування.

ЯМР-томографія

В основі ядерно-магніто-резонансної томографії (ЯМР-томографії) лежить явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Як виявляється, система протонів ядра, які знаходяться у зовнішному магнітному полі з індукцією В, може резонансно поглинати енергію високочастотного електромагнітного поля з частотою vp, що лежить в радіо¬діапазоні (частіше за все в НВЧ-діапазоні).

За умовою резонансу резонансна частота vp прямо пропорційна індукції В магнітного поля і може змінюватися в досить широких межах. Це явище дає дуже цінну інформацію щодо просторового розподілу ядер в певному об'ємі, що знаходиться у магнітному полі.

Спрощений принцип роботи ЯМР-томографа можна пояснити так: на біооб'єкт 1, вміщений в котушку 2 і в магнітне поле 3, діють імпульсами від генератора 4. Ці імпульси через радіочастотний передавач 5 діють на біооб'єкт, в якому внаслідок явища магнітного резонансу протони відгукуються відповідним сигналом, поглинаючи енергію радіочастотного електро¬магнітного поля. Цей сигнал протонного магнітного резонансу (ПМР), який є частинним випадком ЯМР, вимірюється приймачем 6 і подається на комп'ютер 7, який обробляє сигнал і одно¬часно визначає режим роботи генератора радіоімпульсів 4.

Важливими завданнями, пов'язаними з практичною реаліза¬цією метода ЯМР-томографії є: 1) створення необхідної конфі¬гурації магнітного поля; 2) відновлення (візуалізація) зображення досліджуваного біооб'єкта.

Для вирішення першого завдання досліджуваний об'єкт вміщується в магнітне поле, індукція якого лінійно змінюється в якомусь (одному, двох, а частіше за все - в трьох взаємо перпендикулярних напрямках. В такому випадку говорять про лінійний градієнт магнітного поля, для якого зміна індукції В з координатою х відбувається за законом

В(х) = Вй + ах,де а = dBJdx = const - стала величина, яка характеризує градієнт магнітного поля; Во - певне значення індукції, що досягається всередині досліджуваного об'єкта. Вертикальні лінії умовно зображують витки котушки, через яку пропускається струм, що створює магнітне поле.

Як відомо, добуток сили струму / на кількість витків п, що припадають на одиницю довжини котушки, визначає індукцію В на осі такого соленоїда (В ~ /• и). Зрозуміло, що можна накрутити металевий дріт таким чином, щоб кількість витків п і відповідно індукція В змінювались лінійно вздовж осі х, забезпечуючи тим самим виконання залежності. Оскільки магнітне поле змінюється в напрямку х, то на підставі умови резонансу буде в цьому напрямку змінюватися і резонансна частота vp. Далі, враховуючи той факт, що площа під кривою поглинання в спектрі ПМР визначає кількість протонів, що входять до складу ядер певних хімічних елементів, можна отримати просторовий розподіл густини протонів (тобто атомних ядер) вздовж осі х. Таким способом отримують одновимірну проекцію біооб'єкта.

Вирішення другого завдання - відновлення об'ємного зобра¬ження - стало можливим завдяки роботам П.Лаутербурга та інших вчених, які використали для цього так званий метод відновлення за проекціями. Суть цього методу полягає в отриманні багатьох одновимірних проекцій досліджуваного об'єкта. Це досягається зміною напрямку градієнта індукції магнітного поля за рахунок зміни сили струму в трьох взаємо перпендикулярних котушках (соленоїдах). На відміну від рентгенівської томографії такий метод дає змогу виключити механічні переміщення досліджуваного біооб'єкта або апаратурних частин томографа.

Ще одна особливість методу комп'ютерної томографії полягає у можливості отримання інформації (зображень) від тонких шарів тривимірного біооб'єкта. В методі ЯМР-томографії це досягається двома способами.

1)за рахунок використання спеціальної математичної обробки зображень (зокрема, так званого перетворення Родона і тривимірних Фур'є-перетворень);