Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 8.4.9. Измерение импеданса по четырехэлектродной схеме. Применение

отдельных пар электродов для подачи тока и для измерения импеданса

уменьшает негативное влияние контакта с кожей.

8.5. Применение магнитно-резонансной томографии

Магнитно-резонансная томография (МРТ) за последние годы стала одним

из ведущих методов неинвазивной диагностики. С 70-х годов, когда принципы

магнитного резонанса впервые стали использоваться для исследования чело-

веческого тела, до сегодняшних дней этот метод медицинской визуализации

неузнаваемо изменялся и продолжает быстро развиваться. Совершенствуются

техническое оснащение, программное обеспечение, развиваются методики

получения изображений, разрабатываются парамагнитные и ферромагнитные

контрастные препараты.

Это позволяет постоянно находить новые сферы применения МРТ. Если

сначала ее применение ограничивалось лишь исследованиями центральной

нервной системы, то сейчас МРТ с успехом применяется практически во всех

областях медицины.

История развития МРТ непродолжительна, однако цепь находок в течение

лишь 50 лет привела к одному из самых выдающихся медицинских открытий

XX века, сравнимому лишь с идеей Конрада Рентгена применять в медицине

Х-лучи. В 1946 г. ученые из США Феликс Блох и Ричард Пурселл независимо

друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для

жидкостей и твердых тел. В 1952 г. они оба были удостоены Нобелевской

премии по физике, а ЯМР начал использоваться в физической и органической

химии, физике твердых тел, биофизике и биохимии. В 1972 г. проф. Пол

Лаутербур получил первое в мире двухмерное ЯМР-изображение двух стек-

лянных капилляров, заполненных жидкостью. Правда, на получение этого

изображения ушло 4 ч 45 мин. Всего 8 лет потребовалось для появления в

клинике первых МР-томографов для исследования всего тела (1980-1981 гг.).

После включения ЯМР в число методов медицинской томографии прилага-

581

тельное "ядерный" было опущено из соображений маркетинга и по настоянию

специалистов по радиологии из-за того, что оно в массовом сознании связано

с ядерным оружием или ядерными электростанциями, с которыми ЯМР не

имеет ничего общего. Поэтому в наши дни используется уже термин "магнит-

но-резонансная томография".

Парк МР-томографов рос достаточно быстро — если в 1983 г. во всем мире

было всего лишь несколько приборов, пригодных для клинических исследова-

ний, то к началу 1996 г. в мире работало примерно 10 000 томографов. В СССР

первый МР-томограф был установлен в 1984 г. в отделе томографии Кардио-

логического научного центра АМН. Там же в 1994 г. был установлен и первый

сверхпроводящий томограф с высоким полем. Ежегодно вводится в практику

около 1000 новых приборов. По прогнозам аналитиков, к концу века в США,

Японии, странах Европы один МР-томограф будет приходиться на каждые 100

000 населения. Количество МР-томографов в России пока невелико — менее

100, в первую очередь это связано с тем, что МР-томографы являются одним

из самых дорогостоящих видов медицинской техники (цена его превышает

стоимость рентгеновского компьютерного томографа в среднем в 2-3 раза).

Однако если до 1991 г. весь парк МР-томографов в нашей стране был представ-

лен относительно недорогими моделями с резистивными магнитами, то с 1991

г. в России появились аппараты со сверхпроводящими магнитами. Имеются и

отечественные модели МР-томографов ("Образ 1-3").

Кратко о сущности метода: магнитный резонанс это физическое явление,

основанное на свойствах некоторых атомных ядер при помещении их в маг-

нитное поле поглощать энергию в радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать

ее после прекращения воздействия РЧ-импульса. При этом напряженность

постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля

должны строго соответствовать друг другу, что и называется ядерным магнит-

ным резонансом: ядерным — поскольку взаимодействие происходит только с

магнитными моментами атомных ядер, магнитным -- так как эти моменты

ориентированы постоянным магнитным полем, а изменение их ориентации

вызывается радиочастотным магнитным полем, резонансом - - поскольку

параметры этих полей строго связаны между собой. Наиболее интересными

для медицины являются ядра 1Н, 13С, 23Na, 31P, так как все они присутствуют

в теле человека. Характер интенсивности сигнала в МРТ определяется, в

основном, 4 параметрами: протонной плотностью (количеством протонов в

исследуемой ткани), временем спин-решетчатой релаксации (Л), временем

спинспиновой релаксации (72), движением или диффузией исследуемых

структур. Для МРТ разработаны различные импульсные последовательности,

которые, в зависимости от цели, определяют вклад того или иного параметра

в интенсивность изображения исследуемых структур для получения оптималь-

ного контраста между нормальными и измененными тканями.

Для создания магнитного резонанса необходимо постоянное, стабильное

и однородное магнитное поле.

582

В зависимости от напряженности магнитного поля все МР-томографы

обычно классифицируются на сверхнизкие (менее 0,1 Тл), низкопольные (0,1

— 0,4 Тл), среднепольные (0,5 Тл), высокопольные (1-2 Тл), сверхвысокополь-

ные (выше 2 Тл). Приборы с полем до 0,3 Тл обычно имеют резистивные или

перманентные магниты, выше 0,3 Тл - - сверхпроводящие. В клинической

практике верхний предел напряженности магнитного поля составляет 2-2,5 Тл,

это предел безопасности магнитного поля для человеческого организма.

Свыше этого предела поля предполагаются потенциально опасными и могут

допускаться для использования только в исследовательских лабораториях.

Вопрос об оптимальной напряженности магнитного поля — постоянный пред-

мет дискуссий среди специалистов. Более 90% парка МР-томографов состав-

ляют модели со сверхпроводящими магнитами (0,5 - - 1,5 Тл). Интересно

отметить, что если в середине 80-х годов фирмы-производители МР-томогра-

фов руководствовались принципом "чем выше поле, тем лучше", делая упор

на модели с полем 1,5 Тл и выше, то уже к концу 80-х стало ясно, что в

большинстве областей применения они не имеют существенных преимуществ

перед моделями со сред ней силой поля. Поэтому основные производители

МР-томографов ("Дженерал Электрик", "Сименс", "Филипс", "Тошиба",

"Пикер", "Брукер" и другие) в настоящее время основное внимание уделяют

выпуску моделей со средним и даже низким полем, которые отличаются от

высокопольных систем компактностью и экономичностью при удовлетвори-

тельном качестве изображений и существенно меньшей стоимости. Высоко-

польные системы используются преимущественно в научно-исследователь-

ских центрах для проведения МР-спектроскопии.

Хотя по своим физическим принципам МРТ не имеет ничего общего с

рентгенологическими методами исследований, при ее развитии и внедрении в

клиническую практику был использован опыт рентгеновской компьютерной

томографии (КТ). Поскольку к моменту появления МРТ КГ уже прочно заняла

свое место среди других методов диагностики, то внедрение МРТ (как из

диагностических, так и финансовых соображений) во многом определяется

тем, насколько она эффективна при той или иной патологии по сравнению с

КТ или ультразвуковыми методами исследования (УЗИ).

Достоинства и недостатки МРТ (по сравнению с КТ) обусловливают

целесообразность ее применения при диагностике заболеваний различных

органов и систем человеческого организма. К основным достоинствам МРТ

относятся неинвазивность, безвредность(отсутствие лучевой нагрузки), трех-

мерный характер получения изображений, естественный контраст от движу-

щейся крови, отсутствие артефактов от костных тканей, высокая дифферен-

циация мягких тканей, возможность выполнения МР-спектроскопии для при-

жизненного изучения метаболизма тканей in vivo.

К основным недостаткам обычно относят достаточно большое время,

необходимое для получения изображений (как минимум, несколько секунд,

обычно минуты), что приводит к появлению артефактов от дыхательных дви-

жений (что особенно снижает эффективность исследования легких), наруше-

583

ний ритма (при исследовании сердца), невозможность надежного выявления

камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур, доста-

точно высокая стоимость оборудования и его эксплуатации, специальные тре-

бования к помещениям, в которых находятся приборы (экранирование от

помех), невозможность обследования больных с клаустрофобией, искусствен-

ными водителями ритма, крупными металлическими имплантатами из неме-

дицинских металлов.

Остановимся отдельно на противопоказаниях к МРТ исследованию (см.

таблицу) [6]. К абсолютным относят состояния пациентов, при которых про-

ведение исследования создает угрожающую для их жизни ситуацию. Напри-

мер, наличие имплантатов, которые активируются электронным, магнитным

или механическими путями, — это в первую очередь искусственные водители

ритма. Воздействие радиочастотного излучения МР-томографа может нару-

шить функционирование стимулятора, работающего в системе запроса, так как

изменения магнитных полей могут имитировать сердечную деятельность.

Магнитное притяжение может вызвать также смещение стимулятора в гнезде

и сдвинуть электроды. Кроме того, магнитное поле создает препятствия для

работы ферромагнитных или электронных имплантатов среднего уха. Наличие

искусственных клапанов сердца представляет опасность и является абсолют-

ным противопоказанием только при исследовании на МР-томографах с высо-

кими полями, а также если клинически предполагается повреждение клапана.

К абсолютным противопоказаниям к исследованию относится также наличие

небольших металлических хирургических имплантатов (гемостатические

клипсы) в центральной нервной системе, так как смещение их вследствие

магнитного притяжения угрожает кровотечением. Их наличие в других частях

тела имеет меньшую угрозу, так как после лечения фиброз и инкапсулирование

зажимов помогают удержать его в стабильном состоянии. Однако, помимо

потенциальной опасности, наличие металлических имплантатов с магнитными

свойствами в любом случае вызывают артефакты, создающие сложности для

интерпретации результатов исследования.

К относительным противопоказаниям, помимо перечисленных выше, от-

носятся также некомпенсированная сердечная недостаточность, необходи-

мость фи зиологического мониторинга (механическая вентиляция легких,

электрические инфузионные насосы).

Клаустрофобия является препятствием для проведения исследования в

1-4% случаев. Преодолеть его можно, с одной стороны, использованием при-

боров с открытыми магнитами, с другой — подробным объяснением устрой-

ства аппаратуры и хода обследования.

Что касается обследования беременных женщин, свидетельств поврежда-

ющего действия МРТ на эмбрион или плод не получено, однако рекомендовано

избегать МРТ в первые 3 мес беременности. Применение МРТ при беремен-

ности показано в случаях, когда другие неионизирующие методы диагности-

ческой визуализации не дают удовлетворительной информации. МР-томогра-

фическое обследование требует большего участия в нем больного, чем КТ, так

584

как движения больного во время исследования значительно сильнее влияют на

качество изображений, поэтому исследование больных с острой патологией,

нарушенным сознанием, спастическими состояниями, деменцией и детей не-

редко бывает затруднительным.

Таблица.

Относительные и абсолютные противопоказания к проведению МРТ

Противопоказания

абсолютные

Кардиостимуляторы

Ферромагнитные или электронные

имплантаты среднего уха

Кровоостанавливающие клипсы со-

судов головного мозга

относительные

Прочие стимуляторы (инсулиновые

насосы, нервные стимуляторы)

Неферромагнитные имплантаты

внутреннего уха, протезы клапанов

сердца (в высоких полях, при подо-

зрении на дисфункцию)

Кровоостанавливающие клипсы про-

чей локализации, декомпенсирован-

ная сердечная недостаточность, бере-

менность, клаустрофобия, необходи-

мость в физиологическом монито-

ринге

НИИ кардиологии им. А. Л. Мясникова КНЦ РАМН обладает опытом

применения МРТ (с 1984 г.) и является пионером использования этого метода

в нашей стране. За это время были накоплены и обобщены большие научные

и практические знания, позволяющие с достаточной определенностью выска-

заться как об оптимальной конфигурации и технических характеристиках

МР-томографов (в зависимости от предполагаемой области их использования),

так и о показаниях к применению и диагностической эффективности МРТ по

сравнению с другими методами.

Проводились специальные сопоставления результатов МРТ с данными

УЗИ и КТ для определения целесообразности применения метода при различ-

ных видах патологии. Суммируя результаты наших исследований, а также

опираясь на опыт зарубежных специалистов, можно следующим образом клас-

сифицировать области использования МРТ.

При заболеваниях головного мозга первоначально предпочтение должно

отдаваться КГ как более экономичному и быстрому методу (время исследова-

ния пациента при К.Т обычно в 2-2,5 раза меньше, чем при МРТ). МРТ

применяется для уточнения результатов КГ, если в этом есть необходимость.

585

Однако если имеются подозрения на наличие поражения мозга в области

задней черепной ямки, ствола, мелкоочаговых или диффузных поражений

белого вещества (например, рассеянный склероз, энцефалиты, лакунарные

инфаркты), необходима неинвазивная оценка состояния интракраниальных

артерий (аневризмы, артериовенозные мальформации), то целесообразно на-

чинать обследование сразу с МРТ. Парамагнитные контрастные средства по-

зволяют более эффективно выявлять патологию центральной нервной системы

(рис. 8.5.1 ).

Рис. 8.5.1. МР-изображение абсцесса головного мозга до (слева) и после

(справа) контрастного усиления "Омнисканом". Сагиттальная плоскость,

Т1-взвешенное изображение.

Видно отчетливое контрастирование капсулы абсцесса.

При исследованиях спинного мозга и межпозвонковых дисков в шейном

и грудном отделах МРТ предпочтительнее КГ, так как она позволяет получать

сагиттальные срезы, не дает артефакты от костных структур и не требует

введения контрастных средств (рис. 8.5.2). В то же время при целом ряде

патологических процессов КТ остается важным и необходимым методом ис-

следования.

МРТ (особенно системы со сверхпроводящими магнитами) имеет ряд

преимуществ перед КТ 3-го и 4-го поколений при исследовании сердца и

магистральных сосудов. Появление МР-ангиографии и динамических про-

грамм (кино-МР) еще более расширили возможности МРТ в диагностике

сердечно-сосудистой патологии. Сегодня с помощью МРТ возможна достовер-

ная оценка не только анатомии, но и функции сердца, внутрисердечной гемо-

динамики, перфузии миокарда (рис. 8.5.3).

Визуализация органов малого таза у мужчин и женщин - - еще одна

область, где МРТ, как правило, имеет преимущества перед К.Т. На МР-изобра-

жениях хорошо видны зональная анатомия матки, предстательной железы,

инвазия опухолей в жировую клетчатку и мышцы, лимфатические узлы.

При исследовании печени, селезенки, почек и надпочечников, выявлении

опухолей средостения и шеи диагностические возможности МРТ примерно

586

Рис. 8.5.2. МР-изображение задней центральной грыжи диска L4-L5

(стрелка), 72-взвешенное изображение, сагиттальная плоскость

Рис. 8.5.3. Кино-МРТ сердца. Виден поток митральной регургитации

(стрелка)

сопоставимы с таковыми К.Т, поэтому по упомянутым выше причинам пред-

почтение как методу выбора отдается КТ. Существуют отдельные ситуации,

когда МРТ может дать больше информации, чем КТ, — например, при выяв-

лении мелких гемангиом (рис. 8.5.4), оценке степени инвазии сосудистых

структур брюшной полости, диагностике вненадпочечниковых феохромоци-

том.

Несомненны достоинства МРТ при исследованиях суставов. На МР-изо-

бражениях очень хорошо видны хрящевые поверхности суставов, мениски,

связочный аппарат (рис. 8.5.5). Метод позволяет выявлять метастатические

поражения костей, остеомиелит, аваскулярные некрозы еще на той стадии,

когда они затрагивают лишь костный мозг и не вызывают деструкции костных

структур, видимой на рентгеновских изображениях.

И, наконец, как показали сравнительные исследования, применение МРТ

практически не имеет смысла при легочной патологии, заболеваниях желчного

587

Рис. 8.5.4. Гемангиома печени (стрелка). T1-взвешенное МР-изображение

в поперечной плоскости

Рис. 8.5.5. МРТ при разрыве мениска коленного сустава. Разрыв виден как

светлая полоса на фоне низкоинтенсивного мениска (стрелка).

T1 -взвешенное изображение, сагиттальный срез

пузыря, в выявлении камней, кальцификатов, переломов костей. МРТ не при-

меняется для диагностики заболеваний желудка и кишечника.

Следует отметить, что развитие МРТ продолжается.

Появляются новые методики исследования, вводятся в практику МР-кон-

трастные препараты. Особенно интересной представляется разработка органо-

специфических агентов, т. е. веществ, специфических для определенного типа

нормальных или патологических тканей.

Наиболее интенсивные работы ведутся по совершенствованию методик

МР-ангиографии, кино-МРТ, подавлению артефактов от дыхания, МР-спект-

роскопии, трехмерному сбору и реконструкции изображений.

588

Можно смело сказать, что МРТ из экзотического метода исследования с

неясными показаниями к применению (начало 80-х годов) превратилась в

целую область медицинской диагностики, дополняющую традиционные мето-

ды радиологии, повышающую информативностьрадиологического обследова-

ния в целом.

Аппаратура для МР-томографии

Назначение и преимущества МР-томографии

В начале 70-х годов P.Lauterbur и R.Damadian продемонстрировали прин-

ципиальную возможность получения изображений внутренней структуры био-

логических объектов с использованием ядерного магнитного резонанса. Менее

чем за 20 лет магнитно-резонансная томография прошла путь от первых лабо-

раторных экспериментов до широкого внедрения в медицинскую практику.

Уже в начале 80-х годов появились первые промышленные МР системы.

Сегодня только в США насчитывается более 3000 томографов, а крупнейшие

фирмы производители, такие как "General Electric" (США), "Siemens" (Герма-

ния), "Philips" (Голландия), ежегодно продают от 200 до 400 МР систем каждая.

Широкому внедрению в медицинскую диагностическую практику МР-то-

мографов способствуют уникальные возможности, превосходящие возмож-

ности любых других видов томографии (рентгеновской, ультразвуковой, по-

зитронно-эмиссионной):

Возможность получения изображений с любой ориентацией плоскости

сканирования, а также непосредственно трехмерных (не реконструированных)

изображений, без каких-либо механических перемещений оборудования или

пациента;

Наличие целого ряда параметров (времена релаксации Т

и Т

, химический

сдвиг частоты прецессии), обусловленных самим явлением ядерного магнит-

ного резонанса и позволяющих контрастировать отображения распределения

плотности ядер (обычно протонов), что существенно расширяет диагностичес-

кую информативность получаемых изображений. Благодаря этому магнитно-

резонансная томография используется при обследовании практически всех

органов пациента, процессов обмена веществ, а спектр диагностируемых забо-

леваний, причем на ранней стадии их развития, постоянно расширяется;

Возможность спектроскопии на различных типах ядер (фосфор, углерод,

натрий), естественно присутствующих в теле пациента;

Безвредность обследования, подтвержденная широкой клинической прак-

тикой.

Состав аппаратуры и классификация томографов.

Основными элементами МР-томографа являются:

Магнит с однородным и стабильным полем. Диапазон полей используе-

мых в медицинской практике составляет от 0.02Т до 3T.

Импульсные градиентные обмотки, создающие пространственную вариа-

цию поля и частоты прецессии.

589

Источники питания магнитов и импульсных градиентных обмоток.

Система высокочастотного возбуждения и приема ЯМР сигнала. Диапазон

частот определяется типом ядер, на которых происходит работа и величиной

основного поля, и лежит в пределах от единиц до сотен мегагерц.

Компьютерная система управления процессом сканирования, сбором и

обработкой данных, визуализацией и постобработкой изображений.

Классифицируются МР-томографы по уровню основного поля и типу

используемого магнита:

Томографы с ультранизким полем: 0.02T-0.01T. Используются резистив-

ные (электромагниты) и постоянные магниты. Стоимость от 200 тыс.$ до

350 тыс.$.

Томографы с низким полем: 0.1T-0.3T. Используются резистивные и по-

стоянные магниты. Стоимость от 350 тыс.$ до 900 тыс.$.

Томографы со средним полем: 0.3T- 0.6T. Используются сверхпроводя-

щие магниты. Стоимость от 1000 тыс.$ до 1600 тыс.$.

Томографы с сильным полем: 0.6Т-3Т. Используются сверхпроводящие

магниты. Стоимость от 1800 тыс.$ до 2500 тыс.$.

Резистивные магниты были исторически первыми применены в клиничес-

ких установках. Они проще в изготовлении, дешевле сверхпроводящих или

магнитов на основе редкоземельных постоянных магнитов. Однако они требу-

ют мощного (до 100кВт) и стабильного источника питания, системы водоох-

лаждения с качественной очисткой воды. Уровень поля в них ограничен вели-

чиной 0.3Т, при котором отношение сигнал/шум еще не достаточно высоко и

по качеству и времени сканирования они уступают томографам с более силь-

ными полями.

Постоянные магниты работают в том же диапазоне полей. Магниты на

основе ферритов сравнимы по стоимости с резистивными, но обладают боль-

шим весом.

Магниты на основе редкоземельных материалов существенно превосхо-

дят по стоимости резистивные. Постоянные магниты не требуют источника

питания, но нуждаются в системе стабилизации температуры помещения и

магнита из-за плохой температурной стабильности материала магнитов.

Сверхпроводящие магниты используются в диапазоне средних и высоких

полей. Они являются наиболее дорогими, но и обеспечивают наилучшее каче-

ство изображения благодаря высокому уровню поля и высокой стабильности

(магнит работает в режиме "замороженного потока" без внешнего источника

питания).

Не случайно наибольший прогресс в совершенствовании магнитных сис-

тем томографов наблюдается именно в области сверхпроводящих магнитов.

Сегодня они покрывают более 80% рынка МР-томографов. Отсутствие

электропотребления (питание необходимо только при заведении тока, что

делается 1 раз в несколько лет), низкий вес (современные магниты весят менее

4т), малый расход хладагента (магниты со встроенными рефрижераторами

590