Всем доброго времени суток!
Когда я писал прошлый текст про жидкий гелий, я упомянул, что он используется для охлаждения магнитов в МРТ. Написав это предложение, мне вдруг вспомнилось, что когда-то давно мне было интересно - а как же работает МРТ и почему происходит эта магия? Тогда забылось, а теперь и стимул есть написать)
Немного почитав на эту тему я понял, что нельзя просто скопировать Википедию, потому что будет непонятно даже мне. К сожалению, физические эффекты лежащие в основе МРТ довольно сложны и просто их описать не получится, тут необходимо будет попробовать понять основные физические явления, но не пугайтесь - я попробую описать их максимально понятно. Дисклеймер: скорее всего тут будет очень много картинок, глупых сравнений и попыток простого (не всегда корректного) описания происходящего, за что я заранее прошу прощения у понимающих и знающих людей. Автор не несет цели оскорбить чувства физиков и/или медиков)
Итак начнем с названия, как расшифровывается МРТ? Магнитно-Резонансная Томография, и, в принципе, ответ на вопрос “как это работает?” дан уже в названии самой методики. На английском, кстати, МРТ - это MRI (Magnetic resonance imaging) и, как ни странно, на русском название несет в себе чуть больше смысла, так как используется термин томография, который пошел от древнегреческого слова τομή (сечение) и означает - послойное изображение внутренней структуры объекта. Все мы знаем, как выглядят классические снимки с МРТ - это именно слоистое изображение.
Но это детали, а теперь основа - весь метод базируется на явлении магнитного резонанса (кто бы догадался)) и далее я попробую растолковать - что это за явление и как оно совершило революцию в диагностической медицине наравне с изобретением рентгена или антибиотиков.
Для начала нужно понять некоторые базовые физические понятия и начнем мы с того, что такое “Спин”. Еще со школы мы знаем, что все атомы состоят из элементарных частиц - протонов, нейтронов и электронов. В данной ситуации нам не очень важны два последних игрока и мы остановимся на протоне. Протоны - это маленькие элементарные частицы, которые имеют положительный заряд.
Возьмем водород (H), первый элемент в таблице Менделеева, самый легкий и самый распространенный элемент во вселенной. Почему его? Потому что его в нашем теле очень и очень много - тело состоит процентов на 70 из воды (H2O) и еще кучи разных органических соединений (почти все из которых содержат водород). Представить как выглядит атом водорода можно очень просто - вращающаяся Земля, вокруг которой вращается Луна, где Земля - это протон, а Луна - электрон. Как я сказал совсем недавно - Луна нас не интересует, а вот Земля как раз то что нужно. Протон, как и наша планета, вращается (англ. spinning) вокруг своей оси, отсюда и пошло слово спин, то есть вращение. Вращение - есть движение, и поскольку, можно считать, что положительный заряд, как бы, прилеплен к протону, то он также совершает движение крутясь на протоне, а что такое движение заряда - это электрический ток.
Теперь вспомним немного другой раздел физики, где рассказывали, что любой электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, так и в нашем вращающемся протоне, где за счет вращения заряда появляется магнитное поле направленное так, как показано на картинке. Когда на протоны не действуют никакие силы, то они ведут себя очень хаотично, вращаются как им вздумается и какого-то конкретного направления у них нет. Но стоит приложить магнитное поле, начинаются чудеса). Все спины выстраиваются так, что их линии магнитного поля становятся параллельны приложенному магнитному полю. То есть, почти, как стрелки компаса указывают всегда на север, из-за магнитного поля земли, так и здесь они выстраиваются параллельно. Правда есть одно отличие - протоны “смотрят” не в одну сторону - некоторые из них развернуты на 180 градусов.
Причина такого связана с энергетическими состояниями частиц. Представьте себе, что есть два типа людей, одни стоят на ногах, как нормальные люди, но есть гимнасты, которые любят стоять на руках, так и здесь - есть некоторое количество частиц “стоящих на ногах” и “гимнасты”, которые “стоят на руках”. Такие состояния называются низко- и высокоэнергитические состояния, соответственно. Однако, разница в количестве тех или других частиц совсем небольшая, примерно (!), на каждые 1 000 000 “стоящих на руках” приходится 1 000 007 “нормальных протонов” и это отношение зависит от величины приложенного магнитного поля.
Но на самом деле, протоны не просто выстраиваются параллельно приложенному магнитному полю, вместо этого они крутятся по определенной траектории, образуя, своего рода, конус - такой тип движения получил название “прецессионное движение”. Что же это за движение? Представьте себе волчок, который не стоит на одном месте, а немного болтается описывая круг, также и здесь ведут себя протоны в приложенном магнитном поле. Однако, прецессионная частота (частота вращения) протонов “чуть-чуть” выше, чем у волчка и она напрямую (линейно) зависит от силы приложенного магнитного поля (прецессионная частота при поле в 1 Тл, равна 42,58 МГц). Это как у струны: больше силы приложил (натянул струну) - больше частоту получил.
Подведем промежуточный итог, что мы выяснили:
1) МРТ - метод послойного фиксирования изображений с помощью большого магнита.
2) Спин - это некое "волшебное" вращение элементарной частицы, которая приводит к тому, что у этой заряженной частицы появляется магнитное поле.
3) Протоны ведут себя хаотично, но если приложить сильное, внешнее магнитное поле, то они выстраиваются параллельно ему.
4) Кроме этого выстраивания, протоны крутятся как волчок и частота этого вращения напрямую зависит от силы приложенного магнитного поля.
Теперь для упрощения понимания происходящего придется немного усложнить картинку (парадокс)). Необходимо ввести обычную систему координат (XYZ, рисунок ниже), сделаем это так, чтобы ось Z, смотрела по линиям приложенного магнитного поля. При этом красные стрелки - указывают направление магнитного поля протона. К сожалению, в нашу модель, к нашему протону, нужно добавить еще несколько друзей - еще немного протонов, большая часть из которых вращаются в низкоэнергитическом состоянии и некоторые (не такие хорошие друзья)), стоят на руках ( находятся в высокоэнергитическом состоянии) (рисункок ниже, картинка “а”).
Итак, что мы имеем? Некоторое количество протонов, которые “стоят нормально” и поменьше, которые “стоят на руках”, которые вращаются как волчки с определенной частотой. А дальше происходит очень интересное и очень важное событие - протоны, которые находятся в разном энергитическом состоянии, начинают компенсировать магнитное поле друг-друга, наподобии с двумя людьми, которые играют в перетягивание каната, но никто никуда не двигается. Но, как я уже много раз говорил - протонов “стоящих на руках” меньше чем “нормальных” протонов, что приводит к тому, что остается группа “нормальных”, которых уже никто не может компенсировать (рисунок выше “б”) и их магнитные поля суммируются (смотри картинку ниже). Получается, что есть некое магнитное поле, которое появляется и направлено в ту же сторону, что и приложенное магнитное поле. Что это значит? А то, что человек помещенный в аппарат МРТ, сам становится магнитом, потому что в нем есть бесчисленное множество таких нескомпенсированных магнитных полей, направленных в одну сторону.
И все было бы хорошо, если бы мы могли получать какие-нибудь данные из этого магнитного поля, но есть одна проблема - мы не можем каким-либо образом измерить его, и достать из него какую-либо информацию, так как он лежит в очень сильном внешнем магнитном поле (1-5 Тесла). Получается, что информацию нужно достать каким-то иным способом, нужно что-то сделать. И человечество придумало что)
Для того чтобы получить информацию из человека, который находится в МРТ, посылают радиоволну. При этом воздействие радиоволн не длительное, а импульсное. Делают это для того, чтобы “потревожить” протоны, которые спокойно себе вращаются (прецессируют) в приложенном магнитном поле. Этот импульс, фактически является пинком для протонов. При этом, подходит импульс только определенной частоты, потому что импульс должен передать энергию протонам.
Представить себе это просто - вообразите двух велосипедистов, которые участвуют в велогонке за одну команду, и, неожиданно, у одного из двух велосипедистов закончилась питьевая вода и он просит у коллеги попить (получить немного энергии). Как проще будет передать бутылку с водой? Когда оба велогонщика поравняются друг с другом, будут ехать на одной скорости и крутить педали с одинаковой скоростью (в этом контексте скорость вращения педалей - это частота вращения протона)) и смогут спокойно обменяться водой (энергией в случае наших протонов) или когда на один из них пролетит мимо второго на огромной скорости быстро крутя педали и попытается, пролетая мимо него, кинуть в него этой бутылкой? Очевидно, что второй вариант почти не возможен. Так и с протонами - они могут получить энергию только определенной частоты и эта частота равна 42,58 МГц для поля в 1 Тл, 42,58*2=85,16 для поля в 2 Тл и так далее.
И что происходит с протонами, когда к ним приходит волна? Происходит две вещи:
Во-первых, как мы уже поняли, эта радиоволна передает энергию протонам и эта энергия переводит часть в высокоэнергитическое состояние (начинают стоять на руках), то есть переворачиваются и начинают, компенсировать магнитное поле низкоэнергитических протонов (перетягивать на себя канат), что приводит к общему ослаблению магнитного поля.
Во-вторых происходит еще один очень важный процесс - протоны входят в резонанс. Помните знаменитую историю, как разрушился мост из-за того, что по нему начала в ногу идти рота солдат - мост вошел в резонанс с частотой шага солдат, что привело к его раскачиванию и, в конце концов, обрушению. Здесь происходит примерно тоже самое, только никто не разрушается) Протоны под воздействием внешнего радиоимпульса входят в резонас и из вращение синхронизируется (картинка ниже)! Раньше я говорил только о том, что компенсируются магнитные поля направленные вверх или вниз, и не упоминал о том, что, поскольку, магнитные поля направлены не совсем параллельно магнитному полю, есть еще и некоторые магнитные поля направленные влево-вправо, вперед-назад, однако, без приложения импульса - они полностью скомпенсированы друг-другом и есть только сильное магнитное поле направленное “от ног к голове” ( ось ОZ).
Но когда протоны входят в резонанс под воздействием внешнего радиоимпульса и их фазы синхронизируются, становится некому скомпенсировать магнитные поля влево-вправо и вверх-вниз и появляется новое магнитное поле, которое направлено уже перпендикулярно (!) к приложенному внешнему магнитному полю и вращается.
Этот эффект получил название “трансверсальной магнитизации”. И к нему тоже есть прекрасный пример - возьмем плывущий вперед корабль, на котором много пассажиров. Когда за бортом нет ничего интересного, то пассажиры ходят спокойной и беспорядочно по палубе корабля, но как только за бортом начинается что-то интересное, то с одной стороны корабля, то с другой, пассажиры начинают бегать от одного края к другому, таким образом входят в резонанс и корабль начинает сильно раскачиваться. Да, да - как в Пиратах Карибского моря 3) (Я очень хотел сюда их вставить)
И эту трансверсальную магнитизацию (перпендикулярная) уже можно поймать и померить, что уже просто прекрасно - так как это уже какие-то данные, но это еще не все.
Мы имеем вращающееся магнитное поле, направленное перпендикулярно к главному полю, но как понять откуда конкретно идет это магнитное поле? Для этого необходимо убрать радиоимпульс и фиксировать то, что происходит.
Далее, наподобии, с двумя процессами описанными выше (резонанс и переход протонов в высокоэнергитическое состояние), происходят два обратных процесса - то есть процессы релаксации (возврата в комфортное состояние). Соответственно мы имеем 2 процесса релаксации.
Первым делом происходит, так называемая, спин-спин релаксация (Т2 релаксация). Это процесс, когда наши протоны выходят из состояния резонанса и снова начинают крутиться, так как показано на картинке ниже, то есть компенсируя магнитные поля друг-друга, которые направлены влево-вправо, вперед-назад. При этом начинает пропадать то магнитное поле, которое направлено перпендикулярно и мы можем это фиксировать.
Вторая релаксация называется спин-решеточная релаксация (Т1 релаксация). И ее суть заключается в том, что протоны из высокоэнергитического состояния переходят обратно в низкоэнергитическое (картинка ниже) и процесс этого возврата сопровождается высвобождением энергии, которую принесла радиоволна. И человечество научилось мерить эту освобождающуюся энергию.
В результате у нас есть 2 параметра которые мы знаем и умеем измерять - Т1 и Т2. И теперь мы возвращаемся почти к началу - там я говорил, что удобно брать именно водород, так как его больше всего и он почти везде есть, и тут это играет важную роль. Так как водород бывает почти во всех органических соединениях, то соответственно он есть и у нас, например в жире или протеине, где он, довольно сильно связан с остальными веществами (можно сказать, что связи очень натянуты). Кроме органики, водород есть в воде (которой в нас много), где он находится в гораздо более “расслабленном” состоянии. И это приводит к тому, что время обоих релаксации протонов водорода в разных соединениях будет очень сильно отличаться, настолько сильно, что современная аппаратура с легкостью может фиксировать эту разницу. Все равно, что бить кувалдой по натянутому тросу, от которого молот будет быстро отлетать обратно или по детскому батуту, где он будет возвращаться обратно, но дольше и мягче. В добавок ко всему, это время релаксации различается между типами самой релаксации (Т1 и Т2) в 2 - 10 раза (Т1 от 300 до 1500 мсек, Т2 от 30 до 150 мсек).
В результате, “просто” измерив эти Т1 и Т2 релаксации, можно понять от молекулы какого вещества исходит этот сигнал. Зная изначально, в какой молекуле какое время релаксации, можно с точностью определить на что мы смотрим, и, соответственно, имеется возможность находить те или иные аномалии в теле, например найти онкологические опухоли в теле человека.
На самом деле, технология МРТ совершила революцию в медицине, так как позволила посмотреть на внутренние органы человека, изучить их, без прямого вмешательства.
На этом я, пожалуй, закончу. Естественно этот текст представляет собой очень сильное упрощение, но как минимум, дает базовое понятие о принципе работы МРТ (как мне кажется). Я специально не касался вопросов визуализации и других методов томографии, так как посчитал, что в этом кратком обзоре это не сыграет важную роль.