Принцип построения МРТ презентация

Томографическое отображение
МРТ является методом томографического отображения, служащим для получения послойных ЯМР-изображений человеческого тела. Каждый срез имеет толщину (Thk).
Срез состоит из отдельных элементов объема
или вокселов (volume element). Объем каждого
воксела составляет, примерно, 3 мм3.
Магнитно-резонансное изображение состоит
из отдельных элементов плоскости, называемых
пикселами (picture element). Интенсивность
пиксела пропорциональна интенсивности ЯМР-
сигнала состоящей из соответствующих элементов
объема или вокселов отображаемого объекта.

Частица, обладающая спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного соотношения ɣ.
ν= ɣB

Энергия фотона, поглощенного ядром 1H в магнитном поле 1.5 T = hɣ Bo = 6.626x10-34 Js * 42.58x106 Hz/T * 1.5 T = 4.23x10-26 J
К примеру энергия фотона рентгеновского излучения с ν=2x1019 Гц. Е = 6.626 x 10-34 Js * 2x1019 Hz = 1.33x10-14 J
В сравнение ионизационный потенциал типичной органической молекулы 6x10-19 J
При приложении переменного магнитного поля вдоль оси X, вектор суммарной намагниченности начинает вращаться вокруг направления примененного поля B1.
Угол вращения зависит от продолжительности наличия поля ԏ и его величины B1: Θ= 2πɣԏ B1.
Импульсные магнитные поля

Спиновая релаксация
Mz(t) = Mo(1 - e-t/T1)
Mxy(t) = Mxyoe-t/T2
Величина ядерной намагниченности M определяется
или в разложении по координатам при выключении переменного поля

Уравнения Блоха являются макроскопическими: они являются уравнениями движения для макроскопической ядерной намагниченности
Пусть M(t) = (Mx(t), My(t), Mz(t)) ядерная намагниченность. Тогда уравнения Блоха имеют следующий вид:
здесь B(t) = (Bx(t), By(t), B0 + ΔBz(t)) – напряженность магнитного поля. Z-компонента вектора В есть сумма постоянной (B0) и изменяющейся во времени ΔBz(t),

Уравнение Ларморовской прецессии ядерной намагниченности M вокруг внешнего приложенного поля B
или в векторной записи:
Члены
отвечают процессу продольной и поперечной релаксации ядерной намагниченности M.
При отсутствии релаксации (то есть при T1 и T2 → ∞) уравнения Блоха упрощаются до:

Таким образом, поперечная намагниченность Mxy вращается вокруг
оси z с угловой частотой ω0 = γB0 против часовой стрелки.
Продольная намагниченность Mz остается постоянной во времени.
Если перейти в систему координат, вращающуюся с частотой Ω
(выбор которой может быть обусловлен, например, частотой внешнего переменного поля ΔВ), то в ней решение представится в виде:
.
Подставив выражение из предыдущей секции получим:

Уравнения Блоха
Уравнениями Блоха является система сдвоенных дифференциальных уравнений, которая используется для описания поведения вектора намагниченности в любых условиях:

ФОРМУЛЫ БЛОМБЕРГЕНА

Соглашение о знаке частоты
Вектора поперечной намагниченности, вращающиеся быстрее, чем вращающаяся система отсчета, считаются вращающимися с положительной частотой. Вектора, вращающиеся медленнее, чем вращающаяся система, считаются вращающимися с отрицательной частотой.
Во время вращения вокруг оси Z, поперечная намагниченность индуцирует ток в катушке провода, расположенной вокруг оси X. Из-за расфазировок спиновых пакетов, эта кривая будет затухать с постоянной времени T2

Временная диаграмма
Временной диаграммой является своего рода график импульсной последовательности на нескольких координатных осях по времени. Временной диаграммой для 90-FID импульсной последовательности являются графики РЧ энергии по времени и график сигнала по времени.
При повторении последовательности, к примеру, если необходимо улучшить отношение сигнал-шум, амплитуда сигнала после преобразования Фурье (S) будет зависеть от T1 и от времени между повторениями, называемое временем повторения (TR - time repetition) последовательности.
Уравнение сигнала
где k - коэффициент пропорциональности, ρ - плотность спинов в исследуемом объекте.
S = k ρ ( 1 - e-TR/T1 )

Спин-эхо последовательность
90o-импульс, поворачивает намагниченность на плоскость X'Y'. Поперечная намагниченность начинает расфазировываться. Через время t1 после 90o-импульса, применяется 180o-импульс. Этот импульс поворачивает намагниченность на 180o вокруг оси X'. 180o-импульс по крайней мере частично восстанавливает намагниченность по фазе и заставляет ее испускать сигнал, называемый эхом.
для повторяющейся спин-эхо последовательности, как функции от времени повторения TR и времени эхо (TE - echo time - время между 90o-импульсом и максимальной амплитудой эхо) уравнение для сигнала выглядит следующим образом
S = kρ ( 1 - e-TR/T1 ) e-TE/T2

Спин-эхо контраст
T1 – короткое TR and короткое TE
TR = 500 ms, TE = 10 ms
T2 – большое TR and большое TE
TR = 2500 ms, TE = 100 ms
Протоновая плотность (ρH) – большое TR and короткое TE
TR = 2500 ms, TE = 10 ms

Сигнальные уравнения для импульсных последовательностей

Контраст
Контраст, C, между двумя тканями A и B будет равен разнице между сигналом ткани A, SA и сигналом ткани B, SB.
C = SA - SB
SA и SB определяются из сигнальных уравнений. Для двух любых тканей существует набор инструментальных параметров, которые дают максимальный контраст. Например, в спин-эхо последовательности контрастность между двумя тканями есть функция TR, графически представленная сопровождающей кривой.

Фантомы
МР-фанотомом является искусственный объект, который может отображаться для проверки работы магнитно-резонансного томографа. Фантомы используются вместо "нормативного человека ".
Существуют два основных вида МР-фантомов: разрешающий и РЧ-однородностный. Как следует из названий, первый используется для тестирования разрешения, а другой - РЧ-однородности.
Разрешающие фантомы
Разрешающий фантом может использоваться для тестирования нескольких пространственных характеристик томографа. Эти пространственные характеристики включают: плоскостную разрешающую способность, толщину срезов, линейность и отношение сигнал-шум в зависимости от положения. Разрешающие фантомы обычно сделаны из пластмассы. Фантом заполняется водным раствором.

Преобразование Фурье
Вектор намагниченности, исходно направленный вдоль оси X, вращается вокруг оси Z по часовой стрелке. График Mx, как функции от времени есть косинусоида. График My - синусоида.
Так как преобразование Фурье не различает+ и - вращения вектора, то оно дает пики как на +, так и на -.
Решением является подача на вход преобразования Фурье как Mx , так и My. Преобразование Фурье обрабатывает две поданные на вход ортогональные функции, называемыми действительной и мнимой компонентами.

Линейная детекция -Регистрация либо Mx, либо My (и только) компонент для последующего Фурье-преобразования. Этот алгоритм детекции применялся во многих устаревших ЯМР-спектрометрах и некоторых магнитно-резонансных томографах. Он заставлял компьютер отбрасывать половину частотных компонент данных.
Фазочувствительная детекция (quadrature detection) Регистрация как Mx, так и My называется и является методом детекции, применяемым на современных спектрометрах и томографах. Благодаря этому методу преобразование Фурье может различать + и - в полученных частотных компонентах данных.
Преобразование Фурье определяется интегралом
Представим f(ω) как перекрытие f(t) с частотой ω. Для действительной части

Представим функцию от времени f( t ) = cos( 4t ) + cos( 9t ).
Обратное преобразование Фурье (IFT) легче всего представить, как сумму временных компонент спектра частот в f(ω) ).

Обработка изображений
Необработанные данные, или, данные k-пространства, часто представляют собой 256х256 точек комплексных данных. На данном рисунке, в виде Mx и My, представлены действительные (RE) и мнимые (IM) части сигналов, полученные от цифрового преобразователя сигнала.
Для этих целей иногда необработанные данные умножаются на экспоненциальный конус. Сначала преобразование Фурье проводится в вертикальном направлении, а затем в горизонтальном. Вычисление значения срезает амплитуду информации до 15 битного разрешения.
Умножение частотных характеристик спектра на экспоненциально затухающую функцию, пару Фурье для лоренциана, равносильно свертыванию в частотную компоненту.
В изображение значений никогда не присутствуют интенсивности негативных пикселей. Изображение значений приводится к матрице данных 512х512 интерполяцией пикселов или репликацией пикселей.

Артефакты

Развитие визуализирующих технологий идёт по пути "от анатомии к функциям ". Анатомические срезы стандартных МРТ демонстрируют разные типы тканей: кровь, жировую ткань, белое и серое вещество мозга, мышцы и пр. Современные методы КТ и МРТ позволяют оценить скорость и ориентацию диффузионного движения молекул воды, "увидеть" ткани, отличающиеся по обменному взаимодействию протонов, транспорту ионов и молекул (К+, Na+), рН среды, активности фагоцитоза. По притоку обогащённой кислородом крови МРТ, например, позволяет выявить области мозга с повышенной нейрональной и метаболической активностью, обнаружить участки нарушения гематоэнцефалического барьера, количественно
оценить микроваскулярную проницаемость ткани,
состояние рецепторов на поверхности клеток,
гормональную активность, наличие в ткани
определённого антигена, белковых структур и пр.
Таким образом, с помощью МРТ стали осуществлять
диагностику не только на клеточном, но и на
молекулярном уровне. По этой причине диффузионную,
перфузионную, функциональную МРТ и MP-спектроскопию относят к так называемым методам молекулярной визуализации.
Рис. 1. МР-ангиография с контрастным усилением.
Магистральные сосуды головы от дуги аорты до
большого круга основания мозга, вид спереди.

Рис 2. МР-ангиография с контрастным усилением венозных
образований ( венография) в полости черепа (3D-обработка).
Диффузионно-взвешенная МРТ
Диффузия - основной физический процесс, происходящий в ходе метаболических реакций клетки. Первое диффузионно-взвешенное МР-изображение было построено в 1985 г. [Le Bihan D. etаl., 1985]. В клиническую практику диффузионная МРТ пришла вместе с МРТ - сканерами III поколения. Для получения диффузионно-взвешенных томограмм используют эхопланарные импульсные последовательности "спиновое эхо" с двумя диффузионными градиентами одинаковой амплитуды и длительности. Для количественной оценки диффузионных свойств воды в ткани строят параметрические диффузионные карты, на них цвет каждого пиксела соответствует измеряемому коэффициенту диффузии (рис. 3).
Рис. 3 Диффузионная МРТ. а – диффузионно-
взвешенное изображение (комбинирован-
ное), полученное с фактором диффузии
b = 1000 с/мм2; б - диффузионная цветовая
карта на этом уровне.

Для визуализации анизотропии диффузии воды в ткани применяют диффузионно- тензорную МРТ.
В диффузионно-тензорной МРТ по ориентации эллипсоидов диффузии в вокселах определяют ход нервных волокон, образующих нервные тракты, соединяя друг с другом собственные векторы диффузионного тензора. Алгоритмы соединения довольно сложны, поэтому применяют различные методы расчёта, позволяющие "нарисовать" ход множества нервных волокон, образующих нервный тракт.
Вследствие этого тензорную МРТ часто называют трактографией - методом визуализации хода нервных трактов. В простейшей форме частичная анизотропия диффузии кодируется цветом, а визуализация направлений диффузионного движения молекул воды в тканях осуществляется окрашиванием определённым цветом пикселов в зависимости от ориентации их собственного вектора (красным - по оси Х, зелёным - по оси У, синим - по оси Z) (рис. 4) .
Диффузионно-тензорная МРТ позволяет обнаружить структурные связи между отделами мозга, что особенно важно при объёмных процессах и заболеваниях, искажающих анатомическую структуру или разрушающих белое вещество (опухоли, ЧМТ, демиелинизи-рующие заболевания и др.).
Снижение скорости коэффициента диффузии в тканях мозга - чувствительный индикатор ишемических нарушений и степени тяжести ишемии [Moseley М., 1 995].
Применение диффузионно-взвешенных изображений - один из наиболее быстрых и высокоспецифичных методов диагностики ишемического инфаркта мозга в ранних стадиях его развития (до 6 ч -"терапевтическое окно" для использования тромболизиса и частичного или полноrо восстановления кровотока в поражённых тканях мозга). Гнойное содержимое абсцесса характеризуется высоким МР-сигналом и легко визуализируется на любом этапе лечения, включая послеоперационный.
Рис. 4 . Цветовая карта
анизотропии.

Применение диффузионно-взвешенных изображений для некоторых новообразований головного мозга, в частности менингиом и неврином, дает возможность с высокой достоверностью прогнозировать гистологический тип опухоли ещё перед операцией Трактография - новая и многообещающая методика, позволяющая неинвазивно "увидеть" проводящие пути головного мозга (рис. 5).
Рис. 5 . М Р-трактография. а - МРТ в режиме Т2, аксиальная проекция: глиобластома левой височной доли; б - построение хода кортикоспинального тракта показывает его расположение по отношению к зоне опухолевой инфильтрации.
Перфузионные исследования
С помощью методов исследования перфузии рассматривают и количественно оценивают движение крови.
Наибольшее распространение в нейрорентгенологии получили перфузионные исследования на основе внутривенного введения болюса контрастного препарата (экзогенных и эндогенных маркёров, зависящих от уровня оксигенации крови, и др.).
Для количественной оценки используют основные гемодинамические тканевые характеристики: мозговой кровоток (CBF) , объём мозгового кровотока (CBV) , среднее время транзита крови (МТТ).

Сочетание МРТ с введением контрастных веществ позволило дифференцировать те анатомические и патологические образования, которые на отдельных томограммах без контрастного усиления не видны. Получение серий изображений анатомических структур в течение некоторого времени до и после введения контрастного агента стало новой методикой МРТ, называемой перфузионной томографией. В МРТ существуют методы исследования гемодинамических перфузионных процессов с помощью экзогенных и эндогенных маркёров, вводимых анатомическим инъектором со скоростью от 2-х до 7-ми мл в секунду.
Перфузионной МРТ в настоящее время называют методы оценки перфузии при прохождении болюса контрастного вещества. Эти методы исследования мозговой перфузии наиболее широко сейчас применяют в МР-диагностике, особенно в сочетании с диффузионными исследованиями, МР-ангиографией и MP-спектроскопиеЙ. По мере прохождения болюса контрастного вещества по сосудистой системе многократно регистрируют изображение одного и того же среза (обычно это 10 разных уровней или срезов). Само сканирование занимает 1-2 мин. График снижения интенсивности МР-сигнала при прохождении болюса контрастного вещества даёт зависимость "интенсивность сигнала - время" в каждом пикселе среза. Форма этой кривой в артерии и вене определяет артериальную и венозную функции, с помощью которых рассчитывают гемодинамические тканевые параметры.
Перфузионная МРТ

Наиболее интересный способ обработки данных - построение и последовательный анализ параметрических карт. На таких картах совмещают параметрические изображения, полученные из информации, содержащейся в серии динамически томограмм, и анатомические изображения. Для применения клинической практики такой метод обработки изображений должен быть устойчив, надежен и полностью или частично автоматизирован.
Однако, при анализе динамических исследований необходимо выравнивание изображений из различных серий. Проблема становится еще более сложной при исследовании сокращающихся органов, например сердца. В этом случае артефакты можно устранить, обрисовывая границы органов вручную, а также полуавтоматически или полностью автоматически, если известны изначальные очертания органа и отношения его длины к ширине.
Проблемы метода:
На примере почки.
После выделения контуров серии изображений можно выровнять, сравнивая соотношения установленных параметров.

В нейрохирургии перфузионно-взвешенные изображения в основном используют для проведения первичной дифференциальной диагностики степени злокачественности внутримозговых новообразований головного мозга, в частности глиом.
Следует помнить, перфузионная МРТ не позволяет дифференцировать опухоли по их гистологической принадлежности, а тем более оценивать распространённость опухоли в мозговом веществе.
Наличие очагов гиперперфузии в структуре астроцитомы предполагает повышение степени злокачественности поражения. Это основано на том, что при новообразованиях тканевая перфузия характеризует развитие аномальной сосудистой сети (ангионеогенез) в опухоли и её жизнеспособность. Наличие аномальной сосудистой сети в опухоли может свидетельствовать об агрессивности последней. И наоборот, снижение перфузии в опухолевой ткани под действием радио- или химиотерапии может указывать на то, что достигнут лечебный эффект. Использование перфузионно-взвешенных изображений для выбора цели при стереотаксической пункции оказало большую помощь, особенно в группе глиом, характеризующихся полным отсутствием контрастного усиления при стандартной МРТ.

Функциональная магнитно-резонансная томография
Функциональная МРТ основана на усилении кровотока в мозге в ответ на увеличение нейрональной активности коры при действии соответствующего раздражителя.
Картирование активности мозга позволяет выявить области нейрональной активации, возникающие в ответ на стимуляцию (моторные, сенсорные и другие раздражители).
Использование импульсной эхопланарной последовательности на основе градиентного эха позволяет зарегистрировать МР-сигнал высокой интенсивности от активных участков коры мозга, причём время регистрации одного МР-изображения составляет около 100 мс. При функциональной МРТ сопоставляют интенсивность сигналов, зарегистрирован-ных при физиологической нагрузке (активация) и в её отсутствие (контроль) . Участки статистически значимого повышения МР-сигнала, выявленные при последующей математической обработке изображений, соответствуют зонам нейрональной активности мозга. Их выделяют цветом, строят карты нейрональной активности и накладывают их на Т1-МРТ или на трёхмерную модель поверхности мозга.
Клиническое применение функциональной МРТ.
Картирование зон нейрональной активности мозга позволяет спланировать хирургический подход и исследовать патофизиологические процессы головного мозга. Метод применяют в нейропсихологии при изучении когнитивных функций головного мозга. Он перспективен для выявления очагов эпилепсии.
Использование функциональной МРТ стало в настоящее время неотъемлемой частью МРТ -протокола у больных с опухолями головного мозга, расположенными около функционально значимых зон коры головного мозга

Рис. 6 . Функциональная МРТ: карта нейрональной активности при активации моторных центров коры мозга у больного с внутримозговой опухолью левой парацентральной зоны.
Магнитно-резонансная спектроскопия
Магнитно-резонансная спектроскопия (МР-спектроскопия) позволяет неинвазивно получить информацию о метаболизме мозга. Протонная lH - МР-спектроскопия основана на "химическом сдвиге" - изменении резонансной частоты протонов, входящих в состав различных химических соединений. (термин ввел N. Ramsey в 1951 г., чтобы обозначить различия между частотами отдельных спектральных пиков). Основные метаболиты и соответствующие им значения химического сдвига, пики которых определяются in vivo в протонном МР-спектре:
NAA - N-ацетиласпартат (2,0 ppm);
Cho - холин (3,2 ppm);
Сr - креатин (3,03 и 3,94 ppm );
mI - миоинозитол (3,56 ppm);
Glx - глутамат и глутамин (2,1 -2,5 ppm);
Lac - лактат (1,32 ppm );
Lip - липидный комплекс (0,8-1,2 ppm).

В настоящее время в протонной МP-спектроскопии используют два основных метода - одновоксельную и мультивоксельную (Chemical shift imaging) МР-спектроскопию - единовременное определение спектров от нескольких участков головного мозга. В практику сейчас стала также входить мультиядерная МР- спектроскопия на основе MP-сигнала ядер фосфора, углерода и некоторых других соединений [Ринк П., 2003].
При одновоксельной 1Н-МР-спектроскопии для анализа выбирают только один участок (воксел) мозга. Анализируя состав частот в регистрируемом от этого воксела сигнале, получают распределение пиков метаболитов по шкале химического сдвига (ррm) (рис. 7). Соотношение между пиками метаболитов в спектре, уменьшение или увеличение высоты отдельных пиков спектра позволяют неинвазивно оценивать биохимические процессы, происходящие в тканях.

При мультивоксельной MP-спектроскопии получают МР-спектры для нескольких вокселов сразу, и можно сравнить спектры отдельных участков в зоне исследования (рис.а) Обработка данных мультивоксельной МР-спектроскопии даёт возможность построить параметрическую карту среза, на которой концентрация определённого метаболита отмечена цветом, и визуализировать распределение метаболитов в срезе, т.е. получить изображение, взвешенное по химическому сдвигу (рис. б).
В клинической практике важно использовать МР-спектроскопию в послеоперационном периоде для диагностики продолженного роста новообразования, рецидива опухоли, либо лучевого некроза. В сложных случаях 1Н-МР-спектроскопия становится полезным дополнительным методом в дифференциальной диагностике наряду с получением перфузионно-взвешенных изображений. в спектре лучевого некроза характерный признак - наличие так называемого мёртвого пика, широкого лактат-липидного комплекса в диапазоне 0,5-1,8 ррm на фоне полной редукции пиков остальных метаболитов.