Магнитно резонансный томограф принцип работы

Появление рентгена стало настоящей революцией в диагностике: врачи получили возможность увидеть изображение внутренних органов, оценить их состояние. Однако этот метод имеет ряд недостатков: в частности, двухмерный рентген приводит к тому, что изображения одних органов могут «накладываться» на изображения других, и в результате только от опыта и искусства врача, расшифровывающего рентгенограмму, зависит правильность постановки диагноза. Кроме того, из-за особенностей обследования, на рентгенограмме нельзя увидеть ряд образований, например, грыжи или воспаления. Все это подвигло исследователей к разработке новых видов диагностики, среди которых особое место занимают КТ и МРТ.

Принцип действия КТ и МРТ: в чем разница?

На сегодняшний день наряду с рентгеном и УЗИ врачи часто рекомендуют такие методы диагностики, как компьютерная и магнитно-резонансная томографии. На чем же основан их принцип действия?

Компьютерная томография (КТ) – это обследование, которое проводится с помощью рентгеновских лучей. Но если при обычном рентгене лучи проходят сквозь тело и фокусируются на пленке или пластине, давая двухмерное изображение, то при выполнении КТ изображение получается объемным. Дело в устройстве аппарата для КТ: источником рентгеновских лучей служит кольцеобразный контур, внутри которого расположена специальная кушетка (стол) для пациента.

Таким образом выполняется целая серия рентгеновских снимков органов, полученных с разных точек и под разным углом. С помощью компьютера все изображения обрабатываются, и в итоге моделируется трехмерное изображение органа.

Важно, что врач имеет возможность посмотреть «срезы» органа: в зависимости от настроек аппарата, толщина среза может составлять до 1 мм. Это увеличивает точность диагностики.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) основана на том же принципе: получение массива данных и моделирование на его основе трехмерного изображения органа. Разница с КТ состоит в природе волн: при МРТ они электромагнитные. Под их действием различные участки тканей дают разный «ответ», который фиксируется приемным устройством аппарата. А затем, точно так же, как и при КТ, сигналы обрабатываются и преобразуются в изображение.

Итак, в обоих случаях мы получаем объемное изображение, имеем возможность увидеть послойные срезы органа, а также повернуть изображение в нужной врачу проекции, приблизить интересующий участок и т.д.

Есть ли разница между КТ и МРТ? Есть, и основные отличия в том, какие патологии лучше выявляются с помощью каждого метода, а также в характере лучей, генерируемых аппаратом.

Возможности методов

Возможности КТ и МРТ несколько отличаются, и это объясняется тем, что в аппаратах применяются разные виды излучения. КТ чаще всего назначают в случаях:

• изучения повреждения костей и зубов;
• изучения поражения суставов;
• диагностики при травмах: на КТ хорошо видно «свежее» кровотечение;
• выявления заболеваний позвоночника, в том числе грыж, остеопороза, сколиоза и других;
• изучения повреждений головного мозга;
• обследования органов грудной полости (выявления туберкулеза, пневмонии и прочих заболеваний);
• обследования щитовидной и паращитовидной желез;
• обследования полых органов (желудок, кишечник и т.д.);
• изучения состояния сосудов, диагностики аневризм, атеросклероза и т.д.;
• обследования органов мочеполовой системы.

На компьютерной томограмме видны опухоли, камни, кисты. Таким образом, КТ является практически универсальным методом диагностики, позволяющим врачу увидеть максимально подробную картину состояния организма. Для повышения информативности КТ его выполняют с использованием контрастного вещества (в частности, при изучении сосудов и полых органов).

МРТ обычно назначают для исследования мягких тканей, суставов и сосудов:

• обследования при подозрении на наличие опухоли в мягких тканях;
• обследования внутричерепных нервов, структур головного и спинного мозга;
• изучения оболочек спинного и головного мозга;
• обследования больных с рассеянным склерозом и другими неврологическими заболеваниями, а также перенесших инсульт;
• исследования связок и мышц;
• изучения состояния суставных поверхностей.

Показания и противопоказания

Если попытаться обобщить, то КТ чаще назначают при травмах, особенно при сложных (например, при переломах плюсны и запястья, где находится много мелких костей), для выявления кровотечений, для обследования легких, желудка и других внутренних органов. МРТ дает более полную картину опухолевых процессов, методику часто рекомендуют как контрольную в ходе лечения. С помощью МРТ проводится подробная диагностика состояния нервной системы, а также выявляются воспаления, абсцессы, грыжи, кисты и т.д.

Однако оба метода имеют свои противопоказания, что объясняется особенностями применяемых в аппаратах волн. КТ нельзя делать беременным женщинам, так как рентгеновские лучи могут оказать негативное воздействие на организм малыша. Если женщина кормит грудью, то рекомендуется сделать 24-часовой перерыв в кормлении после процедуры. Что касается детей, то КТ может быть им назначено лишь в случае, если другие методы не выявляют патологию.

Также КТ не рекомендуется делать пациентам с почечной недостаточностью, миеломной болезнью, сахарным диабетом, заболеваниями щитовидной железы. Если масса тела пациента превышает 200 кг, то КТ также не удастся выполнить: обычно стол, на котором лежит пациент, имеет ограничения по массе.

Если пациент, которому необходимо выполнить КТ, находится в возбужденном состоянии или не может себя контролировать, обследование вряд ли будет результативным: во время него нужно сохранять неподвижность.

МРТ также имеет ряд ограничений, и прежде всего это связано с наличием в организме металлических конструкций. Зубные протезы на металлических штифтах, имплантаты, содержащие металл, зажимы сосудов, даже краска для татуировок с содержанием металла – все это может стать причиной «помех», так как во время обследования на организм воздействуют магнитные волны. По той же причине нельзя делать МРТ людям, у которых установлен кардиостимулятор, имплантаты среднего и внутреннего уха, инсулиновые помпы: магнитные волны могут привести к сбою в работе этих приборов. Так же, как и в случае КТ, у метода есть ограничения по весу пациента.

Во время МРТ необходимо соблюдать неподвижность в течение достаточно длительного времени: порядка 30-40 минут. Поэтому пациентам, у которых есть неврологические заболевания, не позволяющие полностью контролировать подвижность, можно выполнять МРТ с седацией. То же рекомендуется и в случае проведения томографии маленьким детям, а также людям с клаустрофобией (во время МРТ кушетка, на которой лежит пациент, находится внутри тоннеля, хотя сейчас существуют и открытые аппараты).

А вот беременным женщинам делать МРТ можно, но врачи рекомендуют воздерживаться от обследования в первом триместре.

Подготовка и процедура проведения

Проведение КТ и МРТ требует специальной подготовки лишь в некоторых случаях. Например, если КТ выполняется с использованием контраста, то врач попросит воздержаться от приема пищи на протяжении нескольких часов до обследования. Если во время процедуры пациент будет находиться под действием седативных препаратов, перед КТ не рекомендуется есть и пить.

На процедуру лучше приходить в свободной одежде, которая не стесняет движения. Предварительно необходимо снять зубные протезы, слуховой аппарат, очки, украшения, вытащить из карманов металлические предметы. Если у пациента есть аллергия на определенные вещества или он принимает какие-то препараты, об этом необходимо сообщить врачу.

Если КТ проходит ребенок, то рядом с ним могут находиться родители в специальных защитных фартуках.

В целом КТ занимает около 10-15 минут. Если томография проводится с седацией, необходимо подождать, пока закончится действие препаратов. При проведении КТ с использованием контраста рекомендуется после обследования больше пить, чтобы быстрее вывести контрастное вещество из организма.

МРТ требует специальной подготовки, если проводится обследование брюшной полости и органов малого таза. Пациенту лучше воздержаться от продуктов, которые вызывают повышенное газообразование (овощи, фрукты, хлеб из муки грубого помола и т.д.). За несколько часов до процедуры нельзя есть и пить. Перед МРТ можно принять препараты, уменьшающие газообразование, а также снимающие спазмы. Так картина, которую получит врач, будет наиболее точной и подробной. Перед обследованием органов малого таза мочевой пузырь должен быть наполнен.

МРТ занимает в среднем 30-40 минут. Во время процедуры внутри тоннеля пациент будет слышать достаточно громкие звуки – щелчки и свист. Чтобы снизить неприятные ощущения, врач обычно предлагает пациенту наушники. Также в руках у пациента будет находиться кнопка для экстренной связи с врачом. Во время обследования врач имеет возможность общаться с пациентом, уточнять его состояние.

Что безопаснее и информативнее – КТ или МРТ?

Ответить на вопрос о неоспоримых преимуществах того или иного метода обследования сложно: как ясно из сказанного выше, каждый метод демонстрирует большую или меньшую информативность в конкретных случаях. Говоря в общем, можно отметить высокую точность КТ при поражениях костной ткани, заболеваниях внутренних органов. МРТ незаменима при изучении состояния мягких тканей, хрящей, структур мозга.

И тот и другой метод применяются для диагностики состояния внутренних органов, хотя более информативным многие врачи считают КТ. Он же часто используется для выявления заболеваний легких.

Что касается безопасности процедур, то при выполнении КТ пациент получает определенную дозу рентгеновского облучения, но в современных аппаратах она минимизирована. Кроме того, несмотря на то, что обследование продолжается несколько минут, непосредственно воздействие рентгеновских лучей длится гораздо меньше. При МРТ негативного воздействия на организм не оказывается.

Сравнение стоимости диагностики

Надо отметить, что и КТ, и МРТ являются процедурами более дорогостоящими, чем традиционные рентген и УЗИ, поэтому нередко их назначают уже после того, как пациент прошел предварительную диагностику. Это позволяет делать прицельное обследование, что, безусловно, оптимизирует затраты пациента.

Стоимость прицельного КТ или МРТ одного органа начинается в среднем от 4000 рублей. Если же выполнять сканирование всего организма, то цена может составить 90 000-100 000 рублей. Если выполняется комплексное МРТ или КТ, имеющее целью, например, онкопоиск, то стоимость будет ниже (порядка 15 000-20 000 рублей).

Подводим итоги: чем отличается КТ от МРТ и что лучше

Таким образом, КТ и МРТ – это два вида обследования, которые дают максимально полную картину состояния органов и систем. Каждый метод имеет свои неоспоримые достоинства. МРТ – безопасность, информативность в случае диагностики заболеваний мягких тканей, суставов, нервной системы, сосудистого русла. КТ – точную и подробную картину травм, заболеваний внутренних органов (легких, органов пищеварительной системы, мочеполовой системы и других), кровотечений, но при этом не такую высокую степень безопасности. Вопрос о назначении того или иного вида обследования решает врач в зависимости от результатов предварительной диагностики.

КТ и МРТ да­ют воз­мож­ность по­лу­че­ния мак­си­маль­но под­роб­ной кар­ти­ны со­сто­я­ния ор­га­низ­ма, од­на­ко это не зна­чит, что па­ци­ент мо­жет «на­зна­чить» их се­бе са­мос­то­я­тель­но. Все же бо­лее це­ле­со­об­раз­но, в том чис­ле и с фи­нан­со­вой точ­ки зре­ния, ис­поль­зо­вать то­мо­гра­фию как до­пол­ни­тель­ный ме­тод ди­аг­нос­ти­ки, ког­да врач уже име­ет об­щее пред­став­ле­ние о со­сто­я­нии здо­ровья па­ци­ен­та. И, ко­неч­но, на­зна­чать об­сле­до­ва­ние дол­жен врач.

Магнитно-резонансная томография. Важнейшее значение в современной лучевой диагностике приобрела магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ дает ценную диагностическую информацию о физических и химических параметрах, позволяющих судить о природе и морфологическом строении исследуемых органов и тканей. К тому же изображение можно получать в любой плоскости. Основными компонентами МР-томографа являются силовой магнит, радиопередатчик, приемная радиочастотная катушка и компьютер. Большинство магнитов имеют магнитное поле, параллельное длинной оси тела человека. Сила магнитного поля измеряется в теслах (Тл). Для клинической МРТ используются поля силой 0,02 -3 Тл.

Когда пациента помещают в сильное магнитное поле, все маленькие протонные магниты тела (ядра водорода) разворачиваются в направлении внешнего поля (подобно компасной стрелке, ориентирующейся на магнитное поле Земли). Помимо этого, магнитные оси каждого протона начинают вращаться (прецессировать) вокруг направления внешнего магнитного поля. При пропускании через тело пациента радиоволн, имеющих равную частоту с частотой вращения протонов (Ларморовская частота), магнитное поле радиоволн заставляет магнитные моменты всех протонов вращаться по часовой стрелке. Это явление называют магнитным резонансом.

Под резонансом понимают синхронные колебания, и для изменения ориентации магнитных протонов магнитные поля протонов и радиоволн должны резонировать, т.е. иметь одинаковую частоту.

В тканях пациента создается суммарный магнитный момент: ткани намагничиваются, и их магнетизм ориентируется точно параллельно внешнему магнитному полю. Магнетизм пропорционален числу протонов в единице объема ткани. Огромное число протонов (ядер водорода), содержащихся в большинстве тканей, обусловливает тот факт, что магнитный момент достаточно велик для того, чтобы индуцировать электрический ток в расположенной вне пациента принимающей катушке. Этот индуцированный электрический ток «МР-сигнал» используется для реконструкции изображения.

В промежутке между передачей импульсов протоны подвергаются двум различным процессам релаксации Т1 и Т2. Релаксация – это последствие постепенного исчезновения намагниченности, вызванного небольшими различиями в силе местных магнитных полей. Т2 релаксация – потеря магнетизма. Т1 релаксация – время восстановления магнетизма. Чем короче Т1, тем быстрее восстанавливается магнетизм.

Таблица 1 – Зависимость МР-сигнала от исследуемой ткани

В 1973 году американский химик Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью под названием «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позднее британский физик Питер Мэнсфилд предложит более совершенную математическую модель получения изображения целого организма, а в 2003 году исследователи получат Нобелевскую премию за открытие метода МРТ в медицине.

Немалый вклад в создание современной магнитно-резонансной томографии внесет и американский ученый Реймонд Дамадьян, отец первого коммерческого аппарата МРТ и автор работы «Обнаружение опухоли с помощью ядерного магнитного резонанса», опубликованной в 1971 году.

Но справедливости ради стоит отметить, что задолго до западных исследователей, в 1960 году, советский ученый Владислав Иванов уже подробно изложил принципы МРТ, тем не менее авторское свидетельство он получил лишь в 1984 году… Давайте же оставим споры об авторстве, и рассмотрим наконец в общих чертах принцип работы магнитно-резонансного томографа.

В наших организмах очень много атомов водорода, а ядро каждого атома водорода — это один протон, который можно представить в виде маленького магнитика, существующего благодаря наличию у протона ненулевого спина. То что ядро атома водорода (протон) имеет спин, — это значит что оно как бы вращается вокруг своей оси. При этом известно, что у ядра водорода есть положительный электрический заряд, а вращающийся вместе с наружной поверхностью ядра заряд — это подобие маленького витка с током. Получается, что каждое ядро атома водорода — это миниатюрный источник магнитного поля.

Если теперь много ядер атомов водорода (протоны) поместить во внешнее магнитное поле, то они начнут пытаться сориентироваться по этому магнитному полю подобно стрелкам компасов. Однако в процессе такой переориентации ядра начнут прецессировать, (как прецессирует ось гироскопа при попытке его наклонить), потому что магнитный момент каждого ядра оказывается связан с механическим моментом ядра, с наличием у него упомянутого выше спина.

Допустим, ядро водорода поместили во внешнее магнитное поле с индукцией 1 Тл. Частота прецессии в этом случае составит 42,58 МГц (это так называемая ларморовская частота для данного ядра и для данной индукции магнитного поля). И если теперь оказать дополнительное воздействие на это ядро электромагнитной волной с частотой 42,58 МГц, возникнет явление ядерного магнитного резонанса, то есть амплитуда прецессии возрастет, поскольку вектор общей намагниченности ядра станет больше.

И таких ядер, способных прецессировать и попадать в резонанс, в наших телах миллиард миллиардов миллиардов. Но поскольку в режиме обычной повседневной жизни магнитные моменты всех ядер водорода и других веществ в нашем теле друг с другом взаимодействуют, то общий магнитный момент всего тела равен нулю.

Действуя радиоволнами на протоны, получают резонансное усиление колебаний (увеличение амплитуд прецессий) этих протонов, а по окончании внешнего воздействия протоны стремятся вернуться к своем исходным состояниям равновесия, и тогда уже они сами излучают фотоны радиоволн.

Таким образом в аппарате МРТ тело человека (или какое-нибудь другое исследуемое тело или предмет) превращается периодически то в набор радиоприемников, то в набор радиопередатчиков. Исследуя таким образом участок за участком тела, аппарат строит пространственную картину распределения атомов водорода в теле. И чем более высока напряженность магнитного поля томографа — тем больше атомов водорода, связанных с другими атомами, расположенными рядом, можно исследовать (тем выше разрешение магнитно-резонансного томографа).

Современные медицинские томографы в качестве источников внешнего магнитного поля содержат электромагниты на сверхпроводниках, охлаждаемые жидким гелием. В некоторых томографах открытого типа для этой цели используются постоянные неодимовые магниты.

Оптимальная индукция магнитного поля в аппарате МРТ составляет сегодня 1,5 Тл, она позволяет получать довольно качественные снимки многих частей тела. При индукции менее 1 Тл не получится сделать качественный снимок (достаточно высокого разрешения), например малого таза или брюшной полости, однако для получения обычных снимков МРТ головы и суставов подходят и такие слабые поля.

Для правильной пространственной ориентации, в магнитно-резонансном томографе кроме постоянного магнитного поля используются еще и градиентные катушки, создающие дополнительное градиентное возмущение в однородном магнитном поле. В результате наиболее сильный резонансный сигнал локализуется более точно в том или ином срезе. Мощность и параметры действия градиентных катушек — наиболее значимые показатели в МРТ — от них зависит разрешение и быстродействие томографа.