Магнитно-резонансная томография | |
---|---|
Синонимы | Ядерно-магнитно-резонансная томография (ЯМРТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) |
МКБ-9-КМ | 88.91 |
МеШ | Д008279 |
МедлайнПлюс | 003335 |
Магнитно-резонансная томография ( МРТ ) — это метод медицинской визуализации , используемый в радиологии для получения изображений анатомии и физиологических процессов внутри тела. Сканеры МРТ используют сильные магнитные поля , градиенты магнитного поля и радиоволны для формирования изображений органов в теле. МРТ не использует рентгеновские лучи или ионизирующее излучение , что отличает ее от компьютерной томографии (КТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). МРТ — это медицинское применение ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которое также может использоваться для визуализации в других приложениях ЯМР , таких как ЯМР-спектроскопия . [1]
МРТ широко используется в больницах и клиниках для медицинской диагностики , определения стадии и наблюдения за заболеванием. По сравнению с КТ, МРТ обеспечивает лучшую контрастность изображений мягких тканей, например, мозга или брюшной полости. Однако пациенты могут воспринимать ее как менее комфортную из-за обычно более длительных и громких измерений с объектом в длинной, ограниченной трубке, хотя «открытые» конструкции МРТ в основном снимают это. Кроме того, имплантаты и другие несъемные металлические изделия в теле могут представлять риск и могут помешать некоторым пациентам безопасно пройти МРТ-обследование.
Первоначально МРТ называлась ЯМРТ (ядерно-магнитно-резонансная томография), но слово «ядерный» было исключено, чтобы избежать негативных ассоциаций . [2] Некоторые атомные ядра способны поглощать радиочастотную (РЧ) энергию при помещении во внешнее магнитное поле ; результирующая развивающаяся спиновая поляризация может индуцировать РЧ-сигнал в радиочастотной катушке и, таким образом, быть обнаружена. [3] Другими словами, ядерный магнитный спин протонов в ядрах водорода резонирует с падающими РЧ-волнами и испускает когерентное излучение с компактным направлением, энергией (частотой) и фазой. Это когерентное усиленное излучение легко обнаруживается радиочастотными антеннами, расположенными близко к обследуемому объекту. Это процесс, аналогичный мазерам . В клинической и исследовательской МРТ атомы водорода чаще всего используются для генерации макроскопического поляризованного излучения, которое обнаруживается антеннами. [3] Атомы водорода естественным образом присутствуют в большом количестве в организме человека и других биологических организмах, особенно в воде и жире . По этой причине большинство сканов МРТ по сути отображают расположение воды и жира в организме. Импульсы радиоволн возбуждают энергетический переход ядерного спина , а градиенты магнитного поля локализуют поляризацию в пространстве. Изменяя параметры последовательности импульсов , можно создавать различные контрасты между тканями на основе релаксационных свойств атомов водорода в них.
С момента своего развития в 1970-х и 1980-х годах МРТ оказалась универсальным методом визуализации. Хотя МРТ наиболее часто используется в диагностической медицине и биомедицинских исследованиях, ее также можно использовать для формирования изображений неживых объектов, таких как мумии . Диффузионная МРТ и функциональная МРТ расширяют возможности МРТ для захвата нейронных путей и кровотока соответственно в нервной системе, в дополнение к подробным пространственным изображениям. Устойчивый рост спроса на МРТ в системах здравоохранения привел к опасениям по поводу экономической эффективности и гипердиагностики . [4] [5] [ сомнительно – обсудить ]
В большинстве медицинских приложений ядра водорода , которые состоят исключительно из протона , которые находятся в тканях, создают сигнал, который обрабатывается для формирования изображения тела с точки зрения плотности этих ядер в определенной области. Учитывая, что на протоны влияют поля других атомов, с которыми они связаны, можно отделить ответы от водорода в определенных соединениях. Для проведения исследования человек помещается в сканер МРТ , который формирует сильное магнитное поле вокруг области, которую нужно отобразить. Сначала к пациенту временно подается энергия от осциллирующего магнитного поля на соответствующей резонансной частоте. Сканирование с помощью градиентных катушек X и Y заставляет выбранную область пациента испытывать точное магнитное поле, необходимое для поглощения энергии. Атомы возбуждаются радиочастотным импульсом , и результирующий сигнал измеряется приемной катушкой . Радиочастотный сигнал может быть обработан для получения информации о положении, просматривая изменения уровня и фазы радиочастот, вызванные изменением локального магнитного поля с помощью градиентных катушек . Поскольку эти катушки быстро переключаются во время возбуждения и ответа для выполнения сканирования движущейся линии, они создают характерный повторяющийся шум сканирования МРТ, поскольку обмотки слегка перемещаются из-за магнитострикции . Контраст между различными тканями определяется скоростью, с которой возбужденные атомы возвращаются в состояние равновесия . Экзогенные контрастные вещества могут быть введены человеку, чтобы сделать изображение более четким. [6]
Основными компонентами сканера МРТ являются основной магнит , который поляризует образец, регулировочные катушки для коррекции сдвигов однородности основного магнитного поля, градиентная система, которая используется для локализации области сканирования, и РЧ-система, которая возбуждает образец и обнаруживает полученный сигнал ЯМР. Вся система управляется одним или несколькими компьютерами.
Для МРТ требуется магнитное поле, которое одновременно сильное и однородное до нескольких частей на миллион по всему объему сканирования. Напряженность поля магнита измеряется в теслах , и хотя большинство систем работают при 1,5 Т, коммерческие системы доступны в диапазоне от 0,2 до 7 Т. Системы МРТ 3 Т , также называемые МРТ 3 Тесла, имеют более сильные магниты, чем системы 1,5, и считаются лучшими для изображений органов и мягких тканей. [7] Системы МРТ всего тела для исследовательских приложений работают, например, при 9,4 Т, [8] [9] 10,5 Т, [10] 11,7 Т. [11] Системы МРТ всего тела с еще более сильным полем, например, 14 Т и выше, находятся в концептуальном предложении [12] или в инженерном проекте. [13] Большинство клинических магнитов являются сверхпроводящими магнитами, для поддержания которых при низких температурах требуется жидкий гелий . Более низкие напряженности поля могут быть достигнуты с помощью постоянных магнитов, которые часто используются в «открытых» сканерах МРТ для пациентов с клаустрофобией . [14] Более низкие напряженности поля также используются в портативном сканере МРТ, одобренном FDA в 2020 году. [15] Недавно МРТ была продемонстрирована также в сверхнизких полях, т. е. в диапазоне от микротеслы до миллитеслы, где достаточное качество сигнала стало возможным благодаря предварительной поляризации (порядка 10–100 мТл) и измерению полей прецессии Лармора примерно на уровне 100 микротесла с помощью высокочувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств ( СКВИДов ). [16] [17] [18]
Каждая ткань возвращается в свое равновесное состояние после возбуждения независимыми релаксационными процессами T 1 ( спин-решетка ; то есть намагничивание в том же направлении, что и статическое магнитное поле) и T 2 ( спин-спин ; поперечно статическому магнитному полю). Для создания изображения, взвешенного по T 1 , намагниченность восстанавливается перед измерением сигнала МР путем изменения времени повторения (TR). Это взвешивание изображения полезно для оценки коры головного мозга, идентификации жировой ткани, характеристики очаговых поражений печени и в целом для получения морфологической информации, а также для постконтрастной визуализации.Для создания изображения, взвешенного по T2 , намагниченность затухает перед измерением сигнала МР путем изменения времени эха (TE). Это взвешивание изображения полезно для обнаружения отека и воспаления, выявления поражений белого вещества и оценки зональной анатомии в простате и матке .
Информация от МРТ-сканирования поступает в виде контрастов изображений, основанных на различиях в скорости релаксации ядерных спинов после их возмущения осциллирующим магнитным полем (в форме радиочастотных импульсов через образец). [19] Скорости релаксации являются мерой времени, необходимого для того, чтобы сигнал вернулся в равновесное состояние либо из продольной, либо из поперечной плоскости.
Намагниченность нарастает вдоль оси z в присутствии магнитного поля, B 0 , так что магнитные диполи в образце будут, в среднем, выравниваться с осью z, суммируясь с общей намагниченностью M z . Эта намагниченность вдоль z определяется как равновесная намагниченность; намагниченность определяется как сумма всех магнитных диполей в образце. После равновесного намагничивания 90° радиочастотный (РЧ) импульс меняет направление вектора намагниченности в плоскости xy и затем выключается. Однако начальное магнитное поле B 0 все еще применяется. Таким образом, вектор спиновой намагниченности будет медленно возвращаться из плоскости xy обратно в равновесное состояние. Время, необходимое для возврата вектора намагниченности к своему равновесному значению, M z , называется временем продольной релаксации, T 1 . [20] Впоследствии скорость, с которой это происходит, является просто обратной величиной времени релаксации: . Аналогично, время, за которое M xy возвращается к нулю, равно T 2 , со скоростью . [21] Намагниченность как функция времени определяется уравнениями Блоха .
Значения T 1 и T 2 зависят от химической среды образца; отсюда их полезность в МРТ. Мягкие ткани и мышечная ткань расслабляются с разной скоростью, что обеспечивает контрастность изображения при типичном сканировании.
Стандартное отображение изображений МРТ заключается в отображении характеристик жидкости на черно-белых снимках, где различные ткани выглядят следующим образом:
Сигнал | T1-взвешенный | T2-взвешенный |
---|---|---|
Высокий |
|
|
Средний |
|
|
Низкий |
|
|
МРТ имеет широкий спектр применения в медицинской диагностике , и, по оценкам, во всем мире используется около 50 000 сканеров. [25] МРТ влияет на диагностику и лечение во многих специальностях, хотя в некоторых случаях его влияние на улучшение результатов лечения оспаривается. [26] [27]
МРТ является предпочтительным методом исследования при предоперационном стадировании рака прямой кишки и предстательной железы и играет роль в диагностике, стадировании и последующем наблюдении за другими опухолями [28] , а также для определения областей ткани для взятия образцов в биобанке. [29] [30]
МРТ является предпочтительным инструментом исследования для неврологических раковых заболеваний по сравнению с КТ, поскольку он обеспечивает лучшую визуализацию задней черепной ямки , содержащей ствол мозга и мозжечок . Контраст, обеспечиваемый между серым и белым веществом, делает МРТ лучшим выбором для многих состояний центральной нервной системы , включая демиелинизирующие заболевания , деменцию , цереброваскулярные заболевания , инфекционные заболевания , болезнь Альцгеймера и эпилепсию . [31] [32] [33] Поскольку многие изображения делаются с интервалом в миллисекунды, они показывают, как мозг реагирует на различные стимулы, что позволяет исследователям изучать как функциональные, так и структурные аномалии мозга при психологических расстройствах. [34] МРТ также используется в направленной стереотаксической хирургии и радиохирургии для лечения внутричерепных опухолей, артериовенозных мальформаций и других хирургически излечимых состояний с использованием устройства, известного как N-локализатор . [35] [36] [37] Новые инструменты, реализующие искусственный интеллект в здравоохранении, продемонстрировали более высокое качество изображений и морфометрического анализа в нейровизуализации с применением системы шумоподавления. [38]
Рекорд самого высокого пространственного разрешения целого неповрежденного мозга (посмертно) составляет 100 микрон, из Массачусетской больницы общего профиля. Данные были опубликованы в NATURE 30 октября 2019 года. [39] [40]
Хотя МРТ широко используется в исследованиях психических расстройств, на основании систематического обзора литературы и метаанализа 2024 года, заказанного Исследовательским институтом результатов, ориентированных на пациента (PCORI), доступные исследования с использованием сканирования МРТ для диагностики СДВГ показали большую вариабельность. [41] Авторы приходят к выводу, что МРТ не может быть надежно использована для помощи в постановке клинического диагноза СДВГ. [41]
МРТ сердца дополняет другие методы визуализации, такие как эхокардиография , КТ сердца и ядерная медицина . Его можно использовать для оценки структуры и функции сердца. [42] Его применение включает оценку ишемии и жизнеспособности миокарда , кардиомиопатий , миокардита , перегрузки железом , сосудистых заболеваний и врожденных пороков сердца . [43]
Приложения в опорно-двигательном аппарате включают визуализацию позвоночника , оценку заболеваний суставов и опухолей мягких тканей . [44] Методы МРТ также могут использоваться для диагностической визуализации системных заболеваний мышц , включая генетические заболевания мышц. [45] [46]
Глотательные движения горла и пищевода могут вызывать артефакты движения над снимаемым позвоночником. Поэтому импульс насыщения [ требуется разъяснение ], применяемый к этой области горла и пищевода, может помочь избежать этих артефактов. Артефакты движения, возникающие из-за перекачивания сердца, можно уменьшить, синхронизируя импульс МРТ в соответствии с сердечными циклами. [47] Артефакты кровотока в сосудах можно уменьшить, применяя импульсы насыщения выше и ниже интересующей области. [48]
Гепатобилиарная МРТ используется для обнаружения и характеристики поражений печени , поджелудочной железы и желчных протоков . Очаговые или диффузные заболевания печени можно оценить с помощью диффузионно-взвешенной , противофазной визуализации и динамических последовательностей контрастного усиления . Внеклеточные контрастные агенты широко используются в МРТ печени, а более новые гепатобилиарные контрастные агенты также предоставляют возможность выполнять функциональную билиарную визуализацию. Анатомическая визуализация желчных протоков достигается с помощью сильно взвешенной последовательности T2 в магнитно-резонансной холангиопанкреатографии (МРХПГ). Функциональная визуализация поджелудочной железы выполняется после введения секретина . МР-энтерография обеспечивает неинвазивную оценку воспалительных заболеваний кишечника и опухолей тонкого кишечника. МР-колонография может играть роль в обнаружении крупных полипов у пациентов с повышенным риском колоректального рака. [49] [50] [51] [52]
Магнитно-резонансная ангиография (МРА) создает изображения артерий для оценки их на предмет стеноза (аномального сужения) или аневризм (расширения стенок сосудов, подверженных риску разрыва). МРА часто используется для оценки артерий шеи и мозга, грудной и брюшной аорты, почечных артерий и ног (называемых «отток»). Для создания изображений можно использовать различные методы, такие как введение парамагнитного контрастного вещества ( гадолиния ) или использование метода, известного как «усиление, связанное с потоком» (например, 2D и 3D последовательности времени пролета), где большая часть сигнала на изображении обусловлена кровью, которая недавно переместилась в эту плоскость (см. также FLASH MRI ). [53]
Методы, включающие накопление фазы (известные как фазово-контрастная ангиография), также могут быть использованы для простого и точного создания карт скорости потока. Магнитно-резонансная венография (МРВ) — это похожая процедура, которая используется для визуализации вен. В этом методе ткань теперь возбуждается ниже, в то время как сигнал собирается в плоскости, непосредственно над плоскостью возбуждения, — таким образом, визуализируя венозную кровь, которая недавно переместилась из возбужденной плоскости. [54]
МРТ для визуализации анатомических структур или кровотока не требует контрастных веществ, поскольку различные свойства тканей или крови обеспечивают естественные контрасты. Однако для более специфических типов визуализации экзогенные контрастные вещества могут вводиться внутривенно , перорально или внутрисуставно . [6] Большинство контрастных веществ являются либо парамагнитными (например, гадолиний, марганец, европий) и используются для сокращения T1 в тканях, в которых они накапливаются, либо суперпарамагнитными (SPION) и используются для сокращения T2 и T2* в здоровых тканях, уменьшая интенсивность сигнала (отрицательные контрастные вещества). Наиболее часто используемые внутривенные контрастные вещества основаны на хелатах гадолиния , который является высокопарамагнитным. [55] В целом, эти вещества оказались безопаснее, чем йодированные контрастные вещества, используемые в рентгеновской радиографии или КТ. Анафилактоидные реакции редки, встречаясь примерно в 0,03–0,1%. [56] Особый интерес представляет более низкая частота нефротоксичности по сравнению с йодированными препаратами при назначении в обычных дозах — это сделало контрастное МРТ-сканирование вариантом для пациентов с почечной недостаточностью, которые в противном случае не смогли бы пройти контрастное КТ . [57]
Контрастные реагенты на основе гадолиния обычно представляют собой октадентатные комплексы гадолиния(III) . Комплекс очень стабилен (log K > 20), поэтому при использовании концентрация некомплексированных ионов Gd 3+ должна быть ниже предела токсичности. 9-е место в координационной сфере иона металла занимает молекула воды, которая быстро обменивается с молекулами воды в непосредственном окружении молекулы реагента, влияя на время релаксации магнитного резонанса . [58]
В декабре 2017 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) в Соединенных Штатах объявило в сообщении о безопасности лекарственных средств, что новые предупреждения должны быть включены во все контрастные вещества на основе гадолиния (GBCA). FDA также призвало к повышению уровня образования пациентов и потребовало от поставщиков контрастных веществ на основе гадолиния проводить дополнительные исследования на животных и клинические исследования для оценки безопасности этих веществ. [59] Хотя вещества на основе гадолиния оказались полезными для пациентов с почечной недостаточностью, у пациентов с тяжелой почечной недостаточностью, требующих диализа, существует риск редкого, но серьезного заболевания, нефрогенного системного фиброза , которое может быть связано с использованием определенных веществ, содержащих гадолиний. Наиболее часто связываемым является гадодиамид , но связывают и другие вещества. [60] Хотя причинно-следственная связь окончательно не установлена, текущие рекомендации в Соединенных Штатах заключаются в том, что пациенты, находящиеся на диализе, должны получать вещества на основе гадолиния только в случае необходимости, и что диализ следует проводить как можно скорее после сканирования, чтобы быстро вывести вещество из организма. [61] [62]
В Европе, где доступно больше гадолинийсодержащих препаратов, была выпущена классификация препаратов в соответствии с потенциальными рисками. [63] [64] В 2008 году новый контрастный препарат под названием гадоксетат , торговая марка Eovist (США) или Primovist (ЕС), был одобрен для диагностического использования: он имеет теоретическое преимущество двойного пути выведения. [65]
Последовательность МРТ представляет собой определенную настройку радиочастотных импульсов и градиентов, что приводит к определенному внешнему виду изображения. [66] Взвешивание T1 и T2 также можно описать как последовательности МРТ.
В эту таблицу не включены необычные и экспериментальные последовательности .
Группа | Последовательность | Сокр. | Физика | Основные клинические отличия | Пример |
---|---|---|---|---|---|
Спин-эхо | T1 взвешенный | Т1 | Измерение спин-решеточной релаксации с использованием короткого времени повторения (TR) и времени эха (TE). |
Стандартное основание и сравнение с другими последовательностями | |
T2 взвешенный | Т2 | Измерение спин-спиновой релаксации с использованием длительных времен TR и TE |
Стандартное основание и сравнение с другими последовательностями | ||
Плотность протонов взвешенная | ПД | Длинный TR (для сокращения T1) и короткий TE (для минимизации T2). [70] | Заболевания и травмы суставов . [71]
| ||
Градиентное эхо (GRE) | Устойчивая свободная прецессия | ССФП | Поддержание постоянной остаточной поперечной намагниченности в течение последовательных циклов. [73] | Создание видеороликов МРТ сердца (на фото). [73] | |
Эффективный T2 или «T2-звезда» | Т2* | Испорченный градиентный отклик эха (GRE) с длительным временем эха и малым углом поворота [74] | Низкий сигнал от отложений гемосидерина (на фото) и кровоизлияний. [74] | ||
С учетом восприимчивости | SWI | Испорченный градиентный вызванный эхосигнал (GRE), полностью компенсированный поток, длительное время эхосигнала, объединяет фазовое изображение с магнитудным изображением [75] | Обнаружение небольших количеств кровоизлияния ( на фото диффузное аксональное повреждение ) или кальция. [75] | ||
Инверсионное восстановление | Короткое восстановление инверсии тау | ПОМЕШИВАТЬ | Подавление жира путем установки времени инверсии , при котором сигнал жира равен нулю. [76] | Высокий сигнал при отеке , например, при более тяжелом стрессовом переломе . [77] На фото: расколотая голень : | |
Инверсионное восстановление с ослаблением флюида | ФЛЭЙР | Подавление жидкости путем установки времени инверсии, которое обнуляет жидкости | Высокий сигнал при лакунарном инфаркте , бляшках рассеянного склероза (РС) , субарахноидальном кровоизлиянии и менингите (на фото). [78] | ||
Двойная инверсионная реконструкция | ДИР | Одновременное подавление спинномозговой жидкости и белого вещества двумя инверсионными периодами. [79] | Высокий сигнал бляшек рассеянного склероза (на фото). [79] | ||
Взвешенный по диффузии ( DWI ) | Общепринятый | Вождение в нетрезвом виде | Мера броуновского движения молекул воды. [80] | Высокий сигнал в течение нескольких минут после инфаркта мозга (на фото). [81] | |
Кажущийся коэффициент диффузии | АЦП | Уменьшение веса T2 путем получения нескольких обычных изображений DWI с различным весом DWI, и изменение соответствует диффузии. [82] | Низкий сигнал через несколько минут после инфаркта мозга (на фото). [83] | ||
Тензор диффузии | ДТИ | В основном трактография (на фото) за счет общего большего броуновского движения молекул воды в направлениях нервных волокон. [84] |
| ||
Перфузионно-взвешенный ( PWI ) | Контраст динамической восприимчивости | ДСК | Измеряет изменения с течением времени в потере сигнала, вызванной восприимчивостью из-за инъекции контрастного вещества гадолиния . [86] |
| |
Артериальная спиновая маркировка | АМЖ | Магнитная маркировка артериальной крови под пластиной визуализации, которая впоследствии попадает в интересующую область. [88] Не требует контрастирования гадолинием. [89] | |||
Улучшенный динамический контраст | ДКЭ | Измеряет изменения с течением времени в сокращении спин-решеточной релаксации (T1), вызванной контрастным веществом гадолиния . [90] | Более быстрое поглощение контраста Gd наряду с другими признаками указывает на злокачественность (на фото). [91] | ||
Функциональная МРТ ( фМРТ ) | Визуализация, зависящая от уровня кислорода в крови | СМЕЛЫЙ | Изменения в зависимости от насыщения кислородом магнетизма гемоглобина отражают активность тканей. [92] | Локализация активности мозга при выполнении поставленной задачи (например, разговора, движения пальцами) перед операцией, также используется в исследованиях познания. [93] | |
Магнитно-резонансная ангиография ( МРА ) и венография | Время пролета | ТОФ | Кровь, поступающая в область сканирования, еще не насыщена магнитным полем , что дает гораздо более сильный сигнал при использовании короткого времени эхо-сигнала и компенсации потока. | Обнаружение аневризмы , стеноза или расслоения [94] | |
Фазово-контрастная магнитно-резонансная томография | ПК-MRA | Два градиента с одинаковой величиной, но противоположным направлением используются для кодирования фазового сдвига, который пропорционален скорости спинов . [95] | Обнаружение аневризмы , стеноза или расслоения (на фото). [94] | ( ВИПР ) |
Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) используется для измерения уровней различных метаболитов в тканях организма, что может быть достигнуто с помощью различных методов, основанных на одиночных вокселях или визуализации. [96] Сигнал МР создает спектр резонансов, который соответствует различным молекулярным расположениям изотопа, который «возбуждается». Эта сигнатура используется для диагностики определенных метаболических расстройств, особенно тех, которые затрагивают мозг, [97] и для предоставления информации о метаболизме опухолей . [98]
Магнитно-резонансная спектроскопическая визуализация (MRSI) объединяет как спектроскопические, так и визуальные методы для получения пространственно локализованных спектров из образца или пациента. Пространственное разрешение намного ниже (ограничено доступным SNR ), но спектры в каждом вокселе содержат информацию о многих метаболитах. Поскольку доступный сигнал используется для кодирования пространственной и спектральной информации, MRSI требует высокого SNR, достижимого только при более высоких напряженностях поля (3 Т и выше). [99] Высокие затраты на закупку и обслуживание МРТ с чрезвычайно высокими напряженностями поля [100] сдерживают их популярность. Однако были предложены недавние программные алгоритмы на основе сжатого зондирования ( например , SAMV [101] ) для достижения сверхвысокого разрешения без необходимости таких высоких напряженностей поля.
Магнитно-резонансная томография в реальном времени (РТ-МРТ) относится к непрерывному мониторингу движущихся объектов в реальном времени. Традиционно МРТ в реальном времени была возможна только с низким качеством изображения или низким временным разрешением. Итеративный алгоритм реконструкции снял ограничения. Радиальная FLASH-МРТ (в реальном времени) дает временное разрешение от 20 до 30 миллисекунд для изображений с разрешением в плоскости от 1,5 до 2,0 мм. [103] МРТ в реальном времени добавляет информацию о заболеваниях суставов и сердца . Во многих случаях МРТ-обследования становятся проще и комфортнее для пациентов, особенно для пациентов, которые не могут успокоить свое дыхание [104] или страдают аритмией .
Сбалансированная визуализация со стационарной свободной прецессией (bSSFP) обеспечивает лучшую контрастность изображения между кровяным депо и миокардом, чем FLASH-МРТ, за счет серьезного артефакта полосатости при сильной неоднородности B0. [104]Отсутствие вредных эффектов для пациента и оператора делает МРТ хорошо подходящим для интервенционной радиологии , где изображения, полученные с помощью сканера МРТ, направляют минимально инвазивные процедуры. Такие процедуры не используют ферромагнитные инструменты. [105]
Специализированным растущим подвидом интервенционной МРТ является интраоперационная МРТ , в которой МРТ используется в хирургии. Некоторые специализированные системы МРТ позволяют получать изображения одновременно с хирургической процедурой. Чаще всего хирургическая процедура временно прерывается, чтобы МРТ могла оценить успешность процедуры или направить последующую хирургическую работу. [106]
В направленной терапии высокоинтенсивные сфокусированные ультразвуковые лучи (HIFU) фокусируются на ткани, которые контролируются с помощью МР-термографии. Из-за высокой энергии в фокусе температура поднимается выше 65 °C (150 °F), что полностью разрушает ткань. Эта технология может обеспечить точную абляцию пораженной ткани. МР-томография обеспечивает трехмерное изображение целевой ткани, что позволяет точно фокусировать ультразвуковую энергию. МР-томография обеспечивает количественные тепловые изображения обработанной области в реальном времени. Это позволяет врачу убедиться, что температура, генерируемая во время каждого цикла ультразвуковой энергии, достаточна для того, чтобы вызвать термическую абляцию в желаемой ткани, и, если нет, адаптировать параметры для обеспечения эффективного лечения. [107]
Водород имеет наиболее часто визуализируемое ядро в МРТ, поскольку он присутствует в биологических тканях в большом количестве, и поскольку его высокое гиромагнитное отношение дает сильный сигнал. Однако любое ядро с чистым ядерным спином потенциально может быть визуализировано с помощью МРТ. К таким ядрам относятся гелий-3 , литий-7 , углерод-13 , фтор -19, кислород-17 , натрий -23, фосфор -31 и ксенон-129 . 23 Na и 31 P естественным образом присутствуют в организме, поэтому их можно визуализировать напрямую. Газообразные изотопы, такие как 3 He или 129 Xe, необходимо гиперполяризовать , а затем вдыхать, поскольку их ядерная плотность слишком мала, чтобы дать полезный сигнал в нормальных условиях. 17 O и 19 F можно вводить в достаточных количествах в жидкой форме (например, 17 O -вода), так что гиперполяризация не является необходимостью. [108] Использование гелия или ксенона имеет преимущество в виде снижения фонового шума и, следовательно, повышения контрастности самого изображения, поскольку эти элементы обычно не присутствуют в биологических тканях. [109]
Более того, ядро любого атома, имеющего чистый ядерный спин и связанного с атомом водорода, потенциально может быть отображено с помощью гетероядерной МРТ с переносом намагниченности, которая будет отображать ядро водорода с высоким гиромагнитным отношением вместо ядра с низким гиромагнитным отношением, связанного с атомом водорода. [110] В принципе, гетероядерная МРТ с переносом намагниченности может быть использована для обнаружения наличия или отсутствия определенных химических связей. [111] [112]
В настоящее время многоядерная визуализация является в первую очередь исследовательским методом. Однако потенциальные приложения включают функциональную визуализацию и визуализацию органов, плохо видимых на 1 H МРТ (например, легких и костей) или в качестве альтернативных контрастных агентов. Ингаляционный гиперполяризованный 3He может использоваться для визуализации распределения воздушных пространств в легких. Инъекционные растворы, содержащие 13C или стабилизированные пузырьки гиперполяризованного 129Xe , изучались в качестве контрастных агентов для ангиографии и перфузионной визуализации. 31P потенциально может предоставить информацию о плотности и структуре костей, а также функциональную визуализацию мозга. Многоядерная визуализация имеет потенциал для составления карты распределения лития в мозге человека, этот элемент находит применение в качестве важного препарата для людей с такими состояниями, как биполярное расстройство. [113]
МРТ имеет преимущества в виде очень высокого пространственного разрешения и очень искусна в морфологической и функциональной визуализации. Однако у МРТ есть несколько недостатков. Во-первых, МРТ имеет чувствительность около 10−3 моль /л до 10−5 моль /л, что по сравнению с другими типами визуализации может быть очень ограничивающим. Эта проблема возникает из-за того, что разница в популяциях между состояниями ядерного спина очень мала при комнатной температуре. Например, при 1,5 тесла , типичной напряженности поля для клинической МРТ, разница между состояниями высокой и низкой энергии составляет приблизительно 9 молекул на 2 миллиона. Улучшения для повышения чувствительности МРТ включают увеличение напряженности магнитного поля и гиперполяризации с помощью оптической накачки или динамической ядерной поляризации. Существует также множество схем усиления сигнала, основанных на химическом обмене, которые повышают чувствительность. [114]
Для достижения молекулярной визуализации биомаркеров заболеваний с помощью МРТ требуются целевые контрастные агенты МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксивностью (чувствительностью). На сегодняшний день многие исследования были посвящены разработке целевых контрастных агентов МРТ для достижения молекулярной визуализации с помощью МРТ. Обычно для достижения таргетинга применяются пептиды, антитела или небольшие лиганды и небольшие белковые домены, такие как аффитела HER-2. Для повышения чувствительности контрастных агентов эти целевые фрагменты обычно связаны с контрастными агентами МРТ с высокой полезной нагрузкой или контрастными агентами МРТ с высокой релаксивностью. [115] Был введен новый класс генных контрастных агентов МРТ, нацеленных на гены, чтобы показать действие генов уникальных белков мРНК и факторов транскрипции генов. [116] [117] Эти новые контрастные агенты могут отслеживать клетки с уникальной мРНК, микроРНК и вирусом; тканевой ответ на воспаление в живом мозге. [118] МР сообщает об изменении экспрессии генов с положительной корреляцией с анализом TaqMan, оптической и электронной микроскопией. [119]
Сбор данных МРТ с использованием последовательных приложений градиентов магнитного поля занимает время. Даже для самых оптимизированных последовательностей МРТ существуют физические и физиологические ограничения скорости переключения градиента. Параллельная МРТ обходит эти ограничения, собирая некоторую часть данных одновременно, а не традиционным последовательным способом. Это достигается с помощью массивов радиочастотных (РЧ) детекторных катушек, каждая из которых имеет свой «вид» тела. Применяется сокращенный набор шагов градиента, а оставшаяся пространственная информация заполняется путем объединения сигналов с различных катушек на основе их известных шаблонов пространственной чувствительности. Результирующее ускорение ограничено количеством катушек и отношением сигнал/шум (которое уменьшается с увеличением ускорения), но обычно можно достичь двух-четырехкратного ускорения с подходящими конфигурациями массива катушек, а существенно более высокие ускорения были продемонстрированы с помощью специализированных массивов катушек. Параллельная МРТ может использоваться с большинством последовательностей МРТ .
После того, как ряд ранних предложений по использованию массивов детекторов для ускорения визуализации остались в значительной степени незамеченными в области МРТ, параллельная визуализация получила широкое развитие и применение после внедрения техники SiMultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (SMASH) в 1996–1997 годах. [120] Методы SENSitivity Encoding (SENSE) [121] и Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions (GRAPPA) [122] являются методами параллельной визуализации, которые наиболее часто используются сегодня. Появление параллельной МРТ привело к обширным исследованиям и разработкам в области реконструкции изображений и проектирования РЧ-катушек, а также к быстрому расширению числа каналов приемника, доступных в коммерческих системах МРТ. Параллельная МРТ в настоящее время используется регулярно для МРТ-обследований в широком диапазоне областей тела и клинических или исследовательских приложений.
Большинство методов МРТ фокусируются на качественной интерпретации данных МРТ путем получения пространственных карт относительных изменений силы сигнала, которые «взвешены» по определенным параметрам. [123] Количественные методы вместо этого пытаются определить пространственные карты точных значений параметров релаксометрии тканей или магнитного поля, или измерить размер определенных пространственных характеристик.
Примерами количественных методов МРТ являются:
Количественная МРТ направлена на повышение воспроизводимости изображений МРТ и их интерпретаций, но исторически требовала более длительного времени сканирования. [123]
Количественная МРТ (или qMRI) иногда более конкретно относится к многопараметрической количественной МРТ, картированию нескольких параметров релаксометрии тканей в одном сеансе визуализации. [128] Попытки сделать многопараметрическую количественную МРТ быстрее привели к созданию последовательностей, которые отображают несколько параметров одновременно, либо путем создания отдельных методов кодирования для каждого параметра в последовательности, [129] либо путем подгонки эволюции сигнала МР к многопараметрической модели. [130] [131]
Традиционная МРТ создает плохие изображения легочной ткани, поскольку в ней меньше молекул воды с протонами, которые могут быть возбуждены магнитным полем. Используя гиперполяризованный газ, МРТ-сканирование может выявить дефекты вентиляции в легких. Перед сканированием пациента просят вдохнуть гиперполяризованный ксенон, смешанный с буферным газом гелием или азотом. Полученные изображения легких гораздо более высокого качества, чем при традиционной МРТ.
МРТ, в целом, является безопасной техникой, хотя травмы могут возникнуть в результате несоблюдения правил безопасности или человеческой ошибки. [132] Противопоказания к МРТ включают большинство кохлеарных имплантатов и кардиостимуляторов , осколки и металлические инородные тела в глазах . Магнитно-резонансная томография во время беременности, по-видимому, безопасна, по крайней мере, во втором и третьем триместрах , если проводится без контрастных веществ. [133] Поскольку МРТ не использует ионизирующее излучение, ее использование обычно предпочитают КТ, когда любой из методов может дать ту же информацию. [134] Некоторые пациенты испытывают клаустрофобию и могут нуждаться в седации или более коротких протоколах МРТ. [135] [136] Амплитуда и быстрое переключение градиентных катушек во время получения изображения могут вызвать стимуляцию периферических нервов. [137]
Внешние видео | |
---|---|
Магнитные предметы, брошенные в магнит МРТ |
МРТ использует мощные магниты и, следовательно, может заставить магнитные материалы двигаться с большой скоростью, создавая риск попадания снаряда и может привести к несчастным случаям со смертельным исходом. [138] Однако, поскольку ежегодно во всем мире проводятся миллионы МРТ, [139] смертельные случаи крайне редки. [140]
Аппараты МРТ могут производить громкий шум, до 120 дБ(А) . [141] Это может привести к потере слуха , шуму в ушах и гиперакузии , поэтому для всех, кто находится в помещении сканера МРТ во время обследования, необходима соответствующая защита органов слуха .
Медицинские общества выпускают руководящие принципы относительно того, когда врачи должны использовать МРТ для пациентов, и рекомендуют не злоупотреблять ею. МРТ может обнаружить проблемы со здоровьем или подтвердить диагноз, но медицинские общества часто рекомендуют, чтобы МРТ не была первой процедурой для создания плана диагностики или лечения жалоб пациента. Распространенным случаем является использование МРТ для поиска причины боли в пояснице ; например, Американский колледж врачей рекомендует не использовать визуализацию (включая МРТ), поскольку она вряд ли приведет к положительному результату для пациента. [26] [27]
Артефакт МРТ — это визуальный артефакт , то есть аномалия во время визуального представления. Во время магнитно-резонансной томографии (МРТ) может возникнуть множество различных артефактов, некоторые из которых влияют на качество диагностики, а другие можно спутать с патологией. Артефакты можно классифицировать как связанные с пациентом, зависящие от обработки сигнала и связанные с оборудованием (машиной). [142]
МРТ используется в промышленности в основном для рутинного анализа химических веществ. Метод ядерного магнитного резонанса также используется, например, для измерения соотношения воды и жира в пищевых продуктах, мониторинга потока едких жидкостей в трубах или для изучения молекулярных структур, таких как катализаторы. [1]
Будучи неинвазивным и не повреждающим, МРТ может использоваться для изучения анатомии растений, их процессов транспортировки воды и водного баланса. [143] Он также применяется в ветеринарной радиологии в диагностических целях. За пределами этого его использование в зоологии ограничено из-за высокой стоимости; но его можно использовать для многих видов. [144]
В палеонтологии он используется для изучения структуры ископаемых. [145]
Судебная визуализация обеспечивает графическое документирование вскрытия , чего не делает ручная аутопсия. КТ-сканирование обеспечивает быструю визуализацию всего тела скелетных и паренхиматозных изменений, тогда как МРТ дает лучшее представление о патологии мягких тканей . [146] При всем при этом МРТ является более дорогим и требует больше времени для использования. [146] Более того, качество МРТ ухудшается при температуре ниже 10 °C. [147]
В 1971 году в Университете Стоуни-Брук Пол Лотербур применил градиенты магнитного поля во всех трех измерениях и метод обратной проекции для создания изображений ЯМР. Он опубликовал первые изображения двух трубок с водой в 1973 году в журнале Nature [ 148] , за которыми последовало изображение живого животного, моллюска, а в 1974 году — изображение грудной полости мыши. Лотербур назвал свой метод визуализации зеугматографией, термин, который был заменен на (N)MR-визуализацию. [1] В конце 1970-х годов физики Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур разработали методы, связанные с МРТ, такие как метод эхо-планарной визуализации (EPI). [149]
Работа Рэймонда Дамадьяна в области ядерного магнитного резонанса (ЯМР) была включена в МРТ, он создал один из первых сканеров. [150]
Достижения в области полупроводниковых технологий имели решающее значение для разработки практической МРТ, которая требует большого количества вычислительной мощности . Это стало возможным благодаря быстрому увеличению числа транзисторов на одном чипе интегральной схемы . [151] Мэнсфилд и Лотербур были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2003 года за «открытия, касающиеся магнитно-резонансной томографии». [152]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )