Μαγνητική τομογραφία (MRI) - αρχή λειτουργίας

Το 1973, ένας Αμερικανός χημικός, Paul Lauterbur, δημοσίευσε ένα άρθρο στο περιοδικό Nature, με τίτλο "Δημιουργία εικόνας χρησιμοποιώντας επαγόμενη τοπική αλληλεπίδραση" παραδείγματα που βασίζονται στον μαγνητικό συντονισμό. " Αργότερα, ο βρετανός φυσικός Peter Mansfield θα προσφέρει ένα πιο προηγμένο μαθηματικό μοντέλο για να αποκτήσει μια εικόνα ολόκληρου του οργανισμού και το 2003 οι ερευνητές θα λάβουν το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη της μεθόδου MRI στην ιατρική.

Μια σημαντική συμβολή στη δημιουργία σύγχρονης απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού θα γίνει από τον Αμερικανό επιστήμονα Raymond Damadyan, τον πατέρα της πρώτης συσκευής μαγνητικής τομογραφίας και συγγραφέας του έργου «Ανίχνευση ενός όγκου με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό», που δημοσιεύτηκε το 1971.

Όμως, με αξιοπρέπεια, αξίζει να σημειωθεί ότι πολύ πριν από τους Δυτικούς ερευνητές το 1960 ο σοβιετικός επιστήμονας Vladislav Ivanov διατύπωσε λεπτομερώς τις αρχές της μαγνητικής τομογραφίας, παρ 'όλα αυτά έλαβε το πιστοποιητικό πνευματικής ιδιοκτησίας μόνο το 1984 ... Ας αφήσουμε τη συζήτηση για την πατρότητα και, τέλος, περιγράφουν την αρχή της λειτουργίας ενός απεικονιστή μαγνητικού συντονισμού.

Υπάρχουν πολλά άτομα υδρογόνου στους οργανισμούς μας και ο πυρήνας κάθε ατόμου υδρογόνου είναι ένα πρωτόνιο, το οποίο μπορεί να εκπροσωπείται ως ένας μικρός μαγνήτης, ο οποίος υπάρχει λόγω της παρουσίας μη φυσικής περιστροφής στο πρωτόνιο. Το γεγονός ότι ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου (πρωτόνιο) έχει περιστροφή σημαίνει ότι περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του. Είναι επίσης γνωστό ότι ο πυρήνας υδρογόνου έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και το φορτίο που περιστρέφεται μαζί με την εξωτερική επιφάνεια του πυρήνα είναι σαν ένα μικρό πηνίο με ρεύμα. Αποδεικνύεται ότι κάθε πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου είναι μια μικροσκοπική πηγή ενός μαγνητικού πεδίου.

Εάν τώρα πολλοί πυρήνες ατόμων υδρογόνου (πρωτόνια) τοποθετούνται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τότε θα αρχίσουν να προσπαθούν να πλοηγηθούν σε αυτό το μαγνητικό πεδίο όπως τα βέλη των πυξίδων. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια ενός τέτοιου επαναπροσανατολισμού, οι πυρήνες θα αρχίσουν να προετοιμάζονται (όπως ο γυροσκοπικός άξονας προετοιμάζει όταν προσπαθεί να την κλίσει), επειδή η μαγνητική ροή κάθε πυρήνα συνδέεται με τη μηχανική στιγμή του πυρήνα, με την παρουσία της περιστροφής που αναφέρθηκε παραπάνω.

Ας υποθέσουμε ότι ένας πυρήνας υδρογόνου τοποθετήθηκε σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο με επαγωγή 1 Τ. Η συχνότητα της πρεξίεσης σε αυτή την περίπτωση θα είναι 42,58 MHz (αυτή είναι η λεγόμενη συχνότητα Larmor για έναν δεδομένο πυρήνα και για μια δεδομένη επαγωγή μαγνητικού πεδίου). Και αν έχουμε τώρα ένα πρόσθετο αποτέλεσμα σε αυτόν τον πυρήνα με ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα με συχνότητα 42,58 MHz, θα εμφανιστεί το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, δηλαδή θα αυξηθεί το εύρος της πρεξίας, αφού ο φορέας της συνολικής μαγνητισμού του πυρήνα θα γίνει μεγαλύτερος.

Και υπάρχουν ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια τέτοιοι πυρήνες που μπορούν να προετοιμαστούν και να αντηχούν. Αλλά επειδή οι μαγνητικές στιγμές όλων των πυρήνων υδρογόνου και άλλων ουσιών στο σώμα μας αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στη συνήθη καθημερινή ζωή, η συνολική μαγνητική στιγμή ολόκληρου του σώματος είναι μηδενική.

Δίνοντας τα πρωτόνια σε ραδιοκύματα, επιτυγχάνουν μια συντονισμένη ενίσχυση των ταλαντώσεων αυτών των πρωτονίων και με την ολοκλήρωση της εξωτερικής δράσης, τα πρωτόνια τείνουν να επιστρέφουν στις αρχικές τους καταστάσεις ισορροπίας και στη συνέχεια εκπέμπουν τα ίδια φωτόνια ραδιοκυμάτων.

Έτσι, σε μια συσκευή MRI, το σώμα ενός ατόμου (ή κάποιο άλλο υπό μελέτη σώμα ή αντικείμενο) μετατρέπεται περιοδικά σε ένα σύνολο ραδιοφωνικών δεκτών ή σε ένα σύνολο ραδιοφωνικών πομπών. Διερευνώντας με αυτόν τον τρόπο τη θέση κατά περιοχή, η συσκευή κατασκευάζει μια χωρική εικόνα της κατανομής των ατόμων υδρογόνου στο σώμα.Και όσο υψηλότερη είναι η ισχύς μαγνητικού πεδίου του τομογράφου, τόσο περισσότερα άτομα υδρογόνου που είναι συνδεδεμένα με άλλα άτομα βρίσκονται κοντά μπορούν να διερευνηθούν (όσο υψηλότερη είναι η ανάλυση του απεικονιστή μαγνητικού συντονισμού).

Σύγχρονες ιατρικές τομογραφίες ως πηγές εξωτερικού μαγνητικού πεδίου περιέχουν υπεραγώγιμους ηλεκτρομαγνήτεςψύχεται με υγρό ήλιο. Ορισμένοι τομογράφοι ανοιχτού τύπου χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες νεοδυμίου.

Η βέλτιστη επαγωγή μαγνητικού πεδίου σε μια μηχανή MRI είναι τώρα 1,5 T, σας επιτρέπει να έχετε αρκετά υψηλής ποιότητας εικόνες πολλών τμημάτων του σώματος. Με επαγωγή μικρότερη από 1 Τ, δεν θα είναι δυνατή η δημιουργία εικόνας υψηλής ποιότητας (για παράδειγμα, της μικρής λεκάνης ή της κοιλιακής κοιλότητας), αλλά τέτοια αδύνατα πεδία είναι κατάλληλα για τη λήψη συμβατικών εικόνων μαγνητικής απεικόνισης της κεφαλής και των αρθρώσεων.

Για τον σωστό χωρικό προσανατολισμό, εκτός από ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, ένα μαγνητικό πηνίο χρησιμοποιεί επίσης πηνία κλίσης, τα οποία δημιουργούν μια επιπλέον διαταραχή διαβάθμισης σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Ως αποτέλεσμα, το ισχυρότερο συντονισμένο σήμα εντοπίζεται με μεγαλύτερη ακρίβεια σε ένα ή άλλο τμήμα. Οι παράμετροι ισχύος και λειτουργίας των πηνίων κλίσης - οι σημαντικότεροι δείκτες στη μαγνητική τομογραφία - η ανάλυση και η ταχύτητα του τομογράφου εξαρτώνται από αυτά.