Мозги напросвет: цветные мысли
- Что такое ЯМР
Томограф «видит» скопления протонов и «знает», где как раз они расположены. Но так как это лишь протоны! Эти скопления еще необходимо «связать» с тканями и органами. Ткани людской тела содержат разное количество воды (водорода), соответственно, в первом приближении дают сигналы разной интенсивности и отображаются на МР-томограмме с разной контрастностью.
- Скажем, кровь содержит большое количество водорода, так что сосуды продемонстрированы в виде ярких линий, жировые ткани — в виде серых областей, а кости, в которых водорода мало, отображаются как темно-серые
Результаты MP-томографии сохраняются в особом компьютерном формате на лазерных дисках. В том же направлении записывается и просмотровая программа, которая может «нарезать» снятый орган в трех разных плоскостях.
- Не смотря на то, что в любом томографическом центре вам предложат и классические фотографии на рентгеновской пленке. Традиция
Самое нередкое противопоказание для МР-обследования — не металлический сустав, а клаустрофобия. Кое-какие не догадываются об данной собственной фобии, пока не попадут вовнутрь томографа
Тут два выхода. Первый, радикальный — дать больному наркоз. Как раз для этого рядом с помещением для томографа довольно часто возможно заметить помещение анестезиолога.
- Второй — обследоваться в томографах, складывающихся из двух раздельных катушек, размещенных одна над второй
Я наполовину засунут в огромный бублик, и в голове звучит необычная музыка, смутно напоминающая продвинутый сет актуального диджея. Глаза закрыты, а в руке у меня зажата резиновая груша, похожая на миниатюрную клизму. Это так называемая «паническая кнопка».
Пневматическая она вследствие того что «бублик» — сверхпроводящий магнит мощностью поля в 3 Тл, в пара сот тысяч раз превышающей магнитное поле Почвы. В таком поле любой железный магнитный предмет преобразовывается в смертоносный боеприпас. А «панической» кнопка именуется вследствие того что в магнита многих охватывает приступ клаустрофобии — боязни закрытого пространства. Таких, в большинстве случаев, засовывают в «бублик» под наркозом.
Но лучше, закрыв глаза, слушать неземную музыку, порожденную сильнейшими магнитными и электрическими полями, и думать о том, что лежишь в самом современном и сложном медицинском приборе, что когда-либо создавало человечество, — магнитно-резонансном томографе.
Медицинские Нобели
Чтобы создать данный прибор, потребовались фундаментальные прорывы в физике, компьютерной технике и математике, недаром за данной разработкой тянется целый шлейф нобелевских премий. В принципе, премию имел возможность взять Евгений Завойский, замечавший явление электронного парамагнитного резонанса в Казанском университете в первой половине 40-ых годов XX века.
Сущность этого явления заключалась в том, что электроны в атомах некоторых элементов периодической совокупности, помещенных в магнитное поле, способны поглощать энергию в радиочастотном диапазоне с последующим ее излучением. Но у советского физика тогда не было никакой возможности опубликовать собственные результаты, и премия «ушла» за океан. Открытие ЭПР повлекло за собой обнаружение многих подобных эффектов.
Во второй половине 40-ых годов двадцатого века Феликс Блох из Стэнфордского и Ричард Пурселл из Гарвардского университета в первый раз замечали ядерный парамагнитный резонанс, за что и взяли в первой половине 50-ых годов двадцатого века Нобелевскую премию в области физики.
В первой половине 60-х годов прошлого века Алан Кормак из Университета Тафтса и Годфри Хаунсфилд из британской компании EMI независимо друг от друга создали математический способ восстановления изображения поперечного среза по бессчётным измерениям поглощения узкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под разными углами. Иными словами, тело просвечивалось рентгеновским аппаратом с разных точек, и по окончании сложной математической обработки возможно было взять изображение среза.
Способ был назван томографией, от греческого слова tomos — «рассечение». Первоначально время, нужное для сканирования объекта, составляло девять дней, что было связано с низкоинтенсивным источником гамма-лучей. Замечательная рентгеновская трубка снижала время изучения до девяти часов.
Отсутствие быстродействующих компьютеров делало последующее восстановление изображения очень изнурительным занятием.
Однако в первой половине 70-ых годов двадцатого века компания EMI выпустила первые томографы EMI Mark I, и разработка, не обращая внимания на астрономическую цена, начала победное шествие по медицинским клиникам мира, что стало причиной получению во второй половине 70-ых годов двадцатого века Аланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом Нобелевской премии по медицине и физиологии.
Всего через год по окончании появления EMI Mark I в издании Nature была опубликована статья доктора химических наук Университета штата Нью-Йорк Поля Лаутербура «Создание изображения посредством индуцированного локального сотрудничества; примеры на базе магнитного резонанса». Не смотря на то, что открытие и не было запатентовано, данный сутки считается днем рождения магнитно-резонансной томографии.
Через некое время Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические способы получения изображения посредством магнитного резонанса. «Открытие Латербура и Мэнсфилда стало прорывом в медицине, диагностике и лечении», — заявил офпред Нобелевского комитета Ханс Йорнвалл 6 октября 2003 года, вручая Нобелевскую премию по медицине и физиологии двум выдающимся ученым. Вряд ли еще какой прибор в мире собирал большее количество нобелевских премий.
Глава для самых умных (остальные смогут пропустить)
В действительности явление, лежащее в базе МР-томографии, именуется ядерно-магнитным резонансом. Слово «ядерный» провалилось сквозь землю по окончании чернобыльской трагедии, в то время, когда у населения развилась радиобоязнь — ужас перед любыми явлениями, которые связаны с ядерной физикой. Эксперты вспоминают, как во второй половине 80-ых годов двадцатого века, в то время, когда в Москве устанавливали первый МР-томограф, около медицинского центра бегали люди с радиационными датчиками и устраивали пикеты.
Но магнитный резонанс не имеет никакого отношения к радиации. Но напрямую связан с ядрами водорода.
Человек по большей части складывается из воды, базу которой, со своей стороны, составляют атомы водорода — от 60 до 70%. А ядро водорода, как мы знаем из школьного курса химии, имеется не что иное, как протон. Любой протон имеет некоторый параметр, именуемый поясницей (квантовый аналог собственного механического момента количества перемещения).
В соответствии с квантовой механикой вектор поясницы протона может иметь лишь два взаимно противоположных направления в пространстве, каковые возможно условно обозначить как «вверх» и «вниз». К пояснице жестко привязан и магнитный момент протона, что кроме этого возможно направлен или «вверх», или «вниз». Для простоты возможно представить протон как микроскопический магнитик с неоднозначной вероятной ориентацией в пространстве.
В случае если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, магнитный момент его будет направлен или в ту же сторону, что и поле («на протяжении поля»), или в противоположную («навстречу полю»), причем в первом случае его энергия будет меньше, чем во втором. Протон возможно перевести из первого состояния во второе, передав ему определенную энергию, в точности равную разнице между этими состояниями. Сделать это возможно, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.
Само собой разумеется, найти переход единичного протона из одного состояния в второе проблематично. А вот в случае если поместить пример, содержащий много протонов в замечательное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным «на протяжении» и «навстречу» полю, окажутся приблизительно равными.
В случае если влиять на данный пример электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и поясницей) «на протяжении поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». Наряду с этим происходит резонансное поглощение энергии, а на протяжении процесса возвращения к исходному состоянию, именуемому релаксацией, — переизлучение взятой энергии, которое возможно найти. Это явление и именуется ядерным магнитным резонансом, ЯМР.
Как устроен МР-томограф. Вторая глава для самых умных
Замечательный сверхпроводящий магнит формирует сильное однородное магнитное поле, нужное для ориентации магнитных моментов протонов. Радиочастотная совокупность томографа помогает для облучения исследуемого объекта электромагнитной энергией нужной последующей регистрации и частоты излучения, появляющегося при релаксации (обратном «перевороте» магнитных моментов).
Как раз так устроен МР-спектрометр, но взять изображения внутренних органов посредством для того чтобы прибора нереально. Легко уловить сигнал для медицинской диагностики мало — нужно знать, откуда именно он пришел. Исходя из этого еще одной очень неотъемлемой частью томографа являются градиентные катушки.
Они додают к неспециализированному однородному магнитному полю собственную часть — градиентное, изменяющееся в пространстве магнитное поле. Как раз градиентное поле и снабжает локализацию ядерного магнитного резонанса в пространстве. Дело в том, что резонансная частота зависит от величины магнитного поля.
Как раз градиентное поле и разрешает мало поменять резонансную частоту магнитных моментов протонов в пространстве и совершенно верно локализовать их расположение.
При разных изучениях употребляются разные методы отличать одну ткань от второй. Скажем, в то время, когда гемоглобин (главной переносчик кислорода в крови) теряет кислород, он преобразовывается в парамагнитный дезоксигемоглобин. Магнитные особенности этих молекул разрешают отличать артериальную (гемоглобин) кровь от венозной (дезоксигемоглобин) либо, к примеру, устанавливать давность кровоизлияния при инсультах.
Что наблюдать
Посмотреть вовнутрь людской тела, не разрезая его, возможно четырьмя главными методами: ультразвуковое изучение (УЗИ), рентген, рентгеновская компьютерная томография (РКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Причем УЗИ и МРТ безвредны — в МР-томографе возможно кроме того дремать, ничего не произойдёт.
Но любой способ имеет минусы и свои плюсы. Так, УЗИ идеально подходит для изучения частей тела с громадным числом полостей: шеи, органов таза и брюшной полости, — так как ультразвук прекрасно отражается на границах различных сред. Рентген незаменим для изучения костей и желудочно-кишечного тракта: кости и контрастные вещества, вводимые в кишечник и желудок, действенно поглощают излучение.
Ну а МР-томография разрешает заметить под любым углом и в любом разрезе все мягкие ткани, либо, как говорят медики, «живые структуры»: так как эта разработка показывает распределение воды (правильнее, протонов) в организме. А каждая патология, каждая заболевание это распределение меняет.
Магнит
Магниты современных серийных томографов смогут быть простыми постоянными, резистивными либо сверхпроводящими. В медицинских целях требуются поля (0,01−3 Тл). Самая дорогостоящая часть сверхпроводящего томографа — огромная магнитная катушка, талантливая генерировать замечательное магнитное поле в 1−3 Тл.
Чем замечательнее поле, тем выше соотношение сигнал/шум при сканировании и тем довольно широкие возможности для диагностики предоставляет аппарат.
Для охлаждения нескольких километров проводов сверхпроводящей катушки применяют жидкий гелий, разрешающий довести их до температуры, близкой к полному нулю (4,20К, либо -268,950C). При таковой температуре металл проводов переходит в сверхпроводящее состояние, утраты электричества в катушке за год составляют десятитысячные доли процента! Изготовление сверхпроводящих магнитов таковой мощности — очень сложная задача, по плечу всего паре компаний в мире.
Додаёт гелий и цену, нужный компонент для охлаждения. Во всем мире насчитывается всего пара месторождений этого полезного сверхлегкого газа, и по некоторым оценкам, они иссякнут кроме того раньше, чем нефтяные скважины, — лет через пятьдесят. Уже на данный момент в Западной Европе случаются остановки томографов из-за неприятностей с поставками гелия. Исходя из этого последние модели томографов имеют трехступенчатую совокупность охлаждения, разрешающую свести затраты этого газа фактически к нулю.
России, кстати, неприятности с гелием пока не угрожают — одно из месторождений находится именно у нас.
Вообще-то сверхпроводящая катушка с закачанным в нее током — вещь очень страшная. При утечке гелия сверхпроводимость мгновенно падает, огромный ток, циркулирующий в катушке, практически за мгновения испаряет жидкий гелий в. Данный газ расширяется стремительнее, чем газы при взрыве динамита.
В общем, этакая замечательная хайтек-бомба.
Действительно, стать свидетелем аналогичного взрыва вам вряд ли удастся — все томографы оснащены многоуровневой совокупностью защиты: при утечке гелия и росте температуры ток мгновенно заземляется, а гелий экстренно сбрасывается наружу. Кстати, также достаточно красивое зрелище.
Второй «поражающий» фактор магнитной катушки — фактически магнитное поле. Вернее, не само поле, а захваченные им железные предметы. Как раз исходя из этого перед входом в помещение с томографом вас пара раз спросят о наличии железных предметов: часов, брелоков, ключей, сотовых телефонов — все это нужно покинуть за дверью.
Томографы, кстати, запрещены людям с имплантированными суставами из нержавейки. Действительно, такие уже лет десять как не ставят. Железные зубы магнит не выдергивает, но «картину» они портят изрядно.
Железные предметы, случайно попавшие в помещение с томографом, — самая популярная обстоятельство выхода из строя дорогостоящего оборудования. Фактически любой доктор, трудящийся с томографом, поведает вам дюжина историй про летающие настольные лампы, кресла-каталки, металлические тросточки а также устройства для наркоза.
на следующий день
Не обращая внимания на практически сорокалетний опыт эксплуатации медицинских томографов, эта перспективная область диагностики находится в начале собственного развития. Эксперты возлагают громадные надежды на появление высокотемпературных сверхпроводников. Они разрешили бы сделать томографы более компактными и недорогими, а сам процесс из достаточно дорогостоящего обследования превратился бы в забавный аттракцион.
Неужто вам не Примечательно, что у вас в голове?
Как трудится МР-томограф
Три главные совокупности МР-томографа — это сверхпроводящий магнит, генерирующий очень замечательное магнитное поле, радиочастотная совокупность для облучения изучаемого примера на резонансной частоте и градиентные магнитные катушки, создающие неоднородности магнитного поля. Территория сканирования мала, и при изучении больших областей стол перемещают чтобы получить изображение нескольких сечений.
МР-томограф обнаруживает скопления протонов — ядер атомов водорода. Исходя из этого МР-томография показывает различия в содержании водорода (по большей части воды) в различных тканях. Имеется и другие методы отличать одну ткань от второй (скажем, различия в магнитных особенностях), каковые используются в специальных изучениях.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№64, февраль 2008).
<
h4>