Давайте попытаемся понять, как устроен МР-томограф. Снаружи это просто большая труба с отверстием посередине: наверняка многим приходилось бывать в ней и слышать причудливые звуки МРТ. Внутри этой конструкции скрыты четыре системы, каждая из которых решает свою задачу.
В основе МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса, о котором мы говорили в связи с биомолекулярной ЯМР-спектроскопией: «12 методов в картинках: структурная биология» и «Сверхпроводящие магниты и рецепторы биомембран: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН». Чтобы понять, как это работает, представим протоны (ядра атома водорода: в человеческом теле их триллионы триллионов, ведь мы на ~60% состоим из воды) крошечными магнитными стрелками, прямо как в компасе. В обычных условиях они ориентированы хаотично, но стоит поместить человека в сильное магнитное поле томографа, как картина меняется: стрелки выстраиваются вдоль линий его напряженности. Затем в дело вступает радиочастотный (РЧ) импульс — строго на той частоте, на которую «настроены» протоны. Импульс выбивает протоны из равновесия, заставляя их отклониться. Это явление называется резонансом: так камертон начинает звучать в ответ на ноту той же высоты. Отклонение протонов от исходного положения происходит на определенный угол переворота (flip angle). Его величина зависит от мощности и длительности импульса: классический импульс на 90° полностью переводит намагниченность в поперечную плоскость, тогда как в последовательностях градиентного эха используются также малые углы — от 5° до 40°, — что позволяет значительно ускорить сканирование. Когда же импульс выключается, протоны возвращаются в исходное положение, и именно в это время испускают слабый электромагнитный сигнал, который улавливают приемные катушки томографа.
Возвращение протонов в равновесное состояние происходит не в мгновение ока — это постепенный процесс, реализующийся сразу по трем независимым механизмам: T1- и T2-релаксацией (соответственно, спин-решеточной и спин-спиновой), а также спадом свободной индукции (FID, Free Induction Decay), описываемым константой T2*.
T2* — ускоренная версия T2-релаксации: помимо взаимодействий между самими протонами, в ней дополнительную роль играют неоднородности внешнего магнитного поля.
Именно FID лежит в основе последовательностей градиентного эха — наиболее быстрых из применяемых в клинической МРТ. В отличие от спинового эха, где второй РЧ-импульс (180°) компенсирует эти неоднородности, градиентное эхо их не устраняет — и потому чувствительно к отклонениям поля томографа от идеальной однородности, а также к локальным искажениям поля, создаваемым такими веществами, как дезоксигемоглобин, продукты распада крови и отложения железа.
Прецессия в МРТ — это вращение магнитных моментов протонов водорода вокруг оси внешнего магнитного поля, напоминающее движение волчка. Частота этого вращения называется Ларморовой частотой и прямо пропорциональна силе поля.
МРТ не фотографирует мозг, а «прислушивается» к тому, как по-разному ткани возвращаются в равновесие после возбуждения. Протоны в жировой ткани, сером веществе, ликворе делают это с разной скоростью — и именно эти различия превращаются в контраст на изображении. Ликвор, практически лишенный макромолекул, медленно теряет фазовую согласованность и медленно восстанавливает намагниченность — его T1 и T2 длинные. Белое вещество, богатое миелином, ведет себя иначе: липиды ограничивают подвижность молекул воды, и оба времени релаксации оказываются короткими.
Контрастность изображения определяется тем, какой из этих механизмов оператор выведет на первый план. Для этого в его распоряжении — временны́е параметры последовательности (TR и TE), величина угла переворота, наличие инвертирующих РЧ-импульсов и выбор типа последовательности: спиновое или градиентное эхо. Варьируя их сочетание, оператор настраивает чувствительность метода к конкретным тканевым свойствам: в зависимости от химического состава, содержания воды, липидов и парамагнитных веществ анатомические структуры и патологические изменения отображаются с различной интенсивностью в градациях серого. Так, ликвор и патологический отек выглядят яркими на T2-взвешенных изображениях, тогда как миелинизированное белое вещество — на T1-взвешенных. Каждая такая настройка — это отдельный режим сканирования со своим диагностическим вопросом, и стандартное МРТ-исследование головного мозга всегда включает несколько таких режимов: только вместе они складываются в полноценную диагностическую картину.
TR (Time of Repetition) — временной интервал между последовательными радиочастотными импульсами, примененными к одному и тому же срезу.
TE (Echo Time) — интервал времени от радиочастотного импульса до пика регистрируемого сигнала (эхо).
- T1-взвешенные изображения (Т1-ВИ) — анатомический «атлас» мозга. Они хорошо показывают серое и белое вещество, жировую ткань, причем серое вещество выглядит «серым», белое — «белым», а ликвор — темным. При подозрении на опухоль, инфекцию или острый очаг демиелинизации к протоколу добавляется контрастное усиление: пациенту внутривенно вводят препарат на основе гадолиния и получают T1-ВИ, аналогичные таковым до введения контрастного вещества. Там, где гематоэнцефалический барьер нарушен, происходит накопление контраста — очаг патологии буквально «подсвечивается» на изображении.
- T2-взвешенные изображения (T2-ВИ) используются для поиска патологии: там, где есть структурные изменения ткани головного мозга, интенсивность МР-сигнала повышается, из-за чего он получается более «светлым». По сути Т2-режим — «детектор» патологических изменений в нейровизуализации, указывающий на то, где именно стоит искать проблему. В этом режиме серое вещество головного мозга выглядит светлее белого вещества, ликвор также светлый.
- T2 FLAIR — это T2 с применением метода инверсии-восстановления (IR). Его логика проста: если перед основной последовательностью подать специальный инверсионный импульс и точно подобрать паузу до следующего возбуждения, сигнал от свободной жидкости «обнулится» (т. е. ликвор, в отличие от T2-ВИ, станет темным), и на первый план выйдут патологические изменения, которые иначе терялись бы на ярком фоне ликвора. Убирая «шумный» фон, этот метод делает еще больший акцент на патологии.
- Диффузионно-взвешенная МРТ (ДВИ; DWI) регистрирует броуновское движение молекул воды в тканях. Там, где при инсульте из-за цитостатического отека клетки набухают, движение воды по межклеточному пространству затрудняется — диффузия ограничивается, что ДВИ подмечает уже в первые часы после появления симптомов, когда другие методы еще слепы. Этот же принцип помогает выявлять опухоли с высокой клеточностью и абсцессы головного мозга с вязким содержимым в центре без какого-либо контрастного усиления.
- SWI (susceptibility-weighted imaging; изображения, взвешенные по магнитной восприимчивости) — режим, чувствительный к магнитным неоднородностям тканей. Дезоксигемоглобин, продукты распада крови, отложения железа локально искажают магнитное поле, что улавливает и усиливает SWI. Так артефакт преобразуется в диагностическую методику, особенно ценную при черепно-мозговых травмах, нейродегенеративных заболеваниях и кровоизлияниях.
Как из сигнала получается изображение
Представьте, что вы оказались в огромном темном зале, где одновременно играют тысячи музыкантов. Вы слышите общий звук, но не можете понять, кто именно играет у левой стены, а кто у правой. Именно такая проблема стоит перед томографом: все протоны в магнитном поле резонируют на одной и той же частоте, и сами по себе не сообщают, откуда в головном мозге пришел сигнал. Решение этой задачи потребовало изящного физического трюка.
Градиенты: пространство, закодированное в частоте
Чтобы «привязать» каждый сигнал к конкретной точке в пространстве, в томографе используются градиентные катушки, управляющие искажениями магнитного поля. Благодаря этому протоны в разных частях тела оказываются в полях разной напряженности — а значит, резонируют на слегка разных частотах. Частота становится своеобразным «адресом». Это и есть ключевой принцип пространственного кодирования МРТ. Процесс разворачивается в три последовательных шага по числу пространственных измерений.
- Выбор среза. Прежде чем получить изображение, нужно выбрать, какой именно срез тела мы хотим увидеть. Для этого включается градиент вдоль оси Z (допустим, от головы к ногам). Теперь каждый горизонтальный слой тела находится в поле немного иной напряженности, а значит, имеет свою резонансную частоту. РЧ-импульс подается строго на одну частоту и возбуждает протоны только в одном тонком слое ткани, толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Все остальные срезы «молчат».
- Частотное кодирование. Теперь сигналы протонов внутри выбранного среза нужно «положить» на второе измерение (например, ось X). Для этого включается второй градиент, действующий вдоль этого направления. Теперь протоны, лежащие левее, прецессируют чуть медленнее, а правее — чуть быстрее. Их сигналы, записанные одновременно, складываются в сложную «мелодию». Разложив этот суммарный сигнал с помощью преобразования Фурье, можно определить вклад каждой точки вдоль оси X.
- Фазовое кодирование. С третьей осью — осталась Y — все несколько сложнее. Здесь нельзя просто включить градиент «навсегда»: одновременное частотное кодирование двух измерений нельзя однозначно декодировать. Поэтому поступают иначе: Y-градиент включается кратковременно — ровно настолько, чтобы протоны в разных точках по этому направлению накопили разный фазовый сдвиг (оказались в разных «стадиях» своего колебательного цикла). После выключения градиента протоны снова прецессируют с одинаковой частотой, но теперь каждый со своим «клеймом» фазы, которое сохраняется в сигнале. Этот шаг повторяется многократно с разными амплитудами градиента, чтобы закодировать информацию о всех позициях вдоль оси Y.
K-пространство: архив данных перед финальной сборкой
Собранные за время сканирования сигналы не превращаются сразу в изображение. Они собираются в специальном математическом k-пространстве (от англ. k-space). Это не анатомическая карта мозга, а своего рода «частотный архив»: каждая строка в нем соответствует отдельному шагу фазового кодирования и содержит информацию о пространственных частотах изображения.
Когда все данные собраны, к k-пространству применяется обратное преобразование Фурье — математическая операция, которая декодирует частотно-фазовую информацию и восстанавливает изображение в реальных координатах. Каждому элементу изображения (вокселю — трехмерному аналогу пикселя) соответствует конкретная точка в мозге с определенной интенсивностью МР-сигнала.
Больше о современная методах нейровизуализации читайте на нашем сайте!