Функциональная магнитно-резонансная томография
Принципы магнитного резонанса. Релаксационные процессы T1 и T2 релаксации. Основные импульсные последовательности. Последовательность "инверсия-восстановление". Локализация спинов при помощи градиентных магнитных полей. Возбуждение выбранных спинов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.04.2013 |
| Размер файла | 858,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Функциональная магнитно-резонансная томография
1. Базовые принципы магнитного резонанса
В ЯМР томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях.
Ядро водорода (т.е. отдельный протон) имеет два важных свойства: электрический заряд и спин. Магнитный момент м пропорционален квантовому числу I, обычно называемому ядерным спином:
м = гI (1)
Также ядро имеет магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем B0. При помещении протона в поле B0 система может находиться только в двух энергетических состояниях: низкоэнергетическом (магнитный момент направлен параллельно B0) и высокоэнергетическом (магнитный момент антипараллелен B0). В состоянии равновесия большее количество спинов (N+) будет находиться в состоянии с меньшей энергией, чем в состоянии с большей энергией (N?). В ЯМР при комнатной температуре в магнитном поле 0,25Тл разность спинов, направленных вдоль и против магнитного поля - один протон на миллион.
Разность энергий ДE между этими двумя состояниями определяется следующим уравнением:
ДE = (2)
где: г - гиромагнитное отношение (зависит от размера и формы ядра);
ћ - постоянная Планка;
щ0 - частота электромагнитного излучения, необходимая для перехода между двумя состояния.
Согласно классической картине атомное ядро, считаемое сферическим, вращается вокруг оси и создаёт ядерный или внутренний угловой момент:
P = (3)
Спин ядра может иметь значения I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2,… до 7. Если ядро с угловым моментом P и магнитным моментом м помещено в статическое сильное магнитное поле , ориентация углового момента станет такой, как его составляющая вдоль направления поля
(4)
где - магнитное квантовое число.
Можно легко вывести, что число возможных ориентаций углового момента и магнитного момента во внешнем магнитном поле B0 составляет
(2I + 1). Для ядер и имеющих I=1/2, есть два значения (+1\2; - 1\2). Т.о., если эти ядра погружены во внешнее магнитное поле, их можно расценить как фактически выстроенные в линию по полю =(1\2), если против поля =(1\2).
На практике нам приходится иметь с ансамблем протонов. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты ядер ориентированы случайным образом. При помещении объекта в постоянное магнитное поле ядра, обладающие спинами и магнитными моментами, начинают вести себя как диполи, выстраиваясь параллельно постоянному магнитному полю и формируя суммарный вектор намагниченности M:
M = = ?мi (5)
Рис. 1 Суммарный вектор намагниченности может быть поделен на два компонента - продольная намагниченность, проложенная в направлении магнитного поля (Мz) и поперечная намагниченность (Mxy) на поверхности, ортогональной к полю
В перпендикулярной плоскости намагничивание будет отсутствовать, т.к. поперечные проекции всех моментов хаотично распределены и их суммарный вектор равен нулю. При этом сами диполи не находятся в статическом положении, а постоянно вращаются (рис. 23в) по конусу вокруг направления поля B0 с частотой, пропорциональной силе магнитного поля и зависящей от магнитных свойств ядра:
(6)
Это вращение диполей называют Ларморовой прецессией. Уравнение называется уравнением Лармора и описывает частоту, на которой ядро поглощает энергию.
На практике для получения сигнала от ядер необходимо облучить объект, помещенный в постоянное магнитное поле, дополнительным РЧ полем. Если частота РЧ-сигнала совпадает с параметрами ядра и магнитного поля, то возникает резонанс - атомы элемента поглощают энергию импульса и переходят на более высокий энергетический уровень.
После прекращения действия РЧ импульса образованный магнитными моментами ядер суммарный вектор намагниченности Mz, отклонившийся от направления силовых линий основного поля, возвращается в исходное состояние . Т.о. после РЧ импульса продольная составляющая намагниченности возвращается в состояние , а поперечная намагниченность в нулевое значение. Во время этого процесса, называемого релаксацией, резонировавшие ядра излучают слабые электромагнитные волны.
Интенсивность регистрируемого МР-сигнала определяется четырьмя основными параметрами:
- протонной плотностью (количеством протонов в исследуемой ткани);
- временем спин-решеточной релаксации T1;
- временем спин-спиновой релаксации T2;
- движением или диффузией исследуемых структур.
2. Релаксационные процессы T1 и T2 релаксации
T1 и T2 релаксации - это сложные процессы, зависящие в основном от магнитного взаимодействия между молекулами, которые постоянно движутся и имеют собственное магнитное поле.
Продольная спин-решеточная T1 релаксация отражает взаимодействие резонирующих ядер с окружающими их ядрами и молекулами. При T1 релаксации в молекулярную решетку выделяется дополнительная энергия, полученная спинами из РЧ импульса. Для выделения энергии должен происходить энергетический обмен между группами спинов, затрагивающий продольную намагниченность, поэтому T1 релаксация наблюдается как возврат вектора продольной намагниченности Mz в равновесное состояние M0. T1 релаксация описывается уравнением:
(6)
Изменить продольную намагниченность можно применением резонансного поля B1 в плоскости xy. Поэтому любые колебания магнитного поля, имеющего составляющую, колеблющуюся на резонансной частоте в плоскости xy, могут вызвать переход спинов из одного состояния в другое. Значения времени T1 протонов для биологических тканей - от 500 до 2000 мс.
Поперечная спин-спиновая T2 релаксация описывает процесс возвращения вектора поперечной намагниченности Mxy в равновесное состояние и зависит от обмена энергией между соседними спинами:
(7)
Она отражает расфазирование векторов поперечной намагниченности разных ядер после воздействия РЧ импульсом, вызванное неоднородностями локальных полей в общем магнитном поле. В идеальном случае основное поле B0 должно быть одинаковым для всех ядер, т.е. все спины будут иметь одинаковую частоту прецессии векторов поперечной намагниченности. Однако в нем будут присутствовать колебания продольной компоненты локального основного поля и, следовательно, резонансных частот. Эти колебания вызываются как магнитным взаимодействием между ядрами, так и низкой однородностью основного поля. Если спины имеют мало отличающиеся резонансные частоты, то после воздействия РЧ импульса поперечная намагниченность одних спинов (у которых поле B > B0) будет прецессировать быстрее, а у других спинов (у которых поле B < B0) прецессия будет медленнее. Поэтому мы можем визуализировать этот эффект во вращающейся системе координат: величина вектора поперечной намагниченности будет у одних спинов уменьшаться быстрее, чем у других и происходит расфазирование спинов.
Дифференциальное уравнение, описывающее динамику макроскопической намагниченности во внешнем поле, может быть объединено с параметрами T1 и T2 релаксации в одно уравнение:
(8)
Член отражает незатухающую прецессию (ротацию), где произведение пропорционально , т.е. 1/t; векторная сумма - поперечная намагниченность; Т1 и Т2 - постоянные времени продольной и поперечной релаксаций. Форма второго и третьего слагаемых уравнения Блоха говорит о том, что процесс релаксации предполагается экспоненциальным. Это допущение справедливо для жидкостных сред (ликворов), однако является весьма приближенным для жиров, серого и белого вещества мозга и совсем далеко от истины для твердых образований, у которых Т1 и Т2 очень малы. Положим, что Т1 и Т2 весьма велики. Тогда вторым и третьим членами в уравнении (3) можно пренебречь. Допустим также, что Н = Н0 и Н = kН0. Тогда уравнение Блоха примет вид:
(9)
Правильное интегрирование уравнения Блоха дает X', Y', и Z-составляющие намагниченности, как функции от времени.
Спин-спиновое время релаксации Т2
После возбуждения спинов РЧ-импульсом сначала они ведут себя согласованно (как когерентная система), т.е. все микроскопические составляющие макроскопической намагниченности прецессируют в одной фазе (одновременно) вокруг направления внешнего магнитного поля.
Однако с течением времени амплитуда регистрируемого сигнала начинает снижаться по мере того, как спины начинают расфазироваться (т.е. фаза прецессии разных спинов перестаёт совпадать. Этот спад сигнала в плоскости х'-у' происходит быстрее, чем спад z-намагниченности.
Дополнительный спад намагниченности в плоскости х'-у' происходит вследствие потери фазовой когерентности спинов, что частично вызвано небольшим различием их частот прецессии (частот Лармора) из-за некоторой вариации значений напряжённости постоянного магнитного поля в разных точках образца.
Этот процесс характеризуется временем Т2-релаксации (спин-спиновая, или поперечная релаксация). Т2 зависит от нескольких параметров:
* резонансной частоты (напряжённости магнитного поля), хотя для времени Т2-релаксации это менее важно, чем для Т1;
* температуры;
* подвижности спинов (микровязкости);
* присутствия больших молекул, парамагнитных ионов или молекул, других внешних препятствий.
В подвижных жидкостях значение Т2 близко к Т1, в то время как в твёрдых телах или жидкостях с малой текучестью (т.е. с большой вязкостью) становятся заметными магнитные поля, вызванные соседними ядрами, что значительно укорачивает время Т2-релаксации по сравнению с Т1. В твёрдых телах Т2 обычно настолько коротко, что сигнал полностью исчезает в течение первой миллисекунды, тогда как в жидкостях он может длиться несколько секунд.
По большому счёту именно в связи с этим в МРТ твёрдые ткани, такие как компактное вещество костей или сухожилия, дают достаточно низкий сигнал.
Таким образом, если представить зависимость значений Т1 и Т2 от микроскопической подвижности спиновой системы, то для Т1-значений получится кривая, проходящая через минимум, соответствующий частоте Лармора, а для Т2-значений - непрерывно убывающая кривая.
Для чистой воды Т2-значение приблизительно составляет 3 с, а отношение Т1/Т2 равно 1. Т1-значение различных тканей обычно менее 1 с, тогда как отношение Т1/Т2 увеличивается, достигая значений от 5 до 10 для большинства наиболее распространённых тканей. Например, для мышечной ткани при напряжённости магнитного поля 0,1 Тл отношение Т1/Т2 равно 5.
На практике оказывается, что один и тот же образец может иметь два различных значения времени Т2-релаксации при одной и той же напряжённости магнитного поля. Это связано с тем, что образованию локальной неоднородности магнитного поля, воздействующей на ядра, способствуют два явления:
- постоянные и изменяющиеся магнитные поля, создаваемые соседними магнитными моментами (других ядер и неспаренных электронов);
- дефекты основного постоянного магнитного поля В (неоднородности поля).
В результате спад реально наблюдаемого сигнала происходит быстрее, чем Т2. Это время называют Т2.
Спин-решёточное время релаксации Т1
Возбуждение системы, находящейся в равновесном состоянии, всегда переводит её в нестабильное состояние с большей энергией. Продолжительность времени, в течение которого система будет находиться в возбуждённом состоянии, зависит от особенностей системы.
Для системы, состоящей из спинов ядер, находящихся в магнитном поле, подобное нестабильное состояние создаётся при помощи возбуждающего РЧ-импульса - при совпадении частоты импульса с резонансной частотой ядер система «накачивается» энергией РЧ-импульса. На молекулярном уровне возвращение возбуждённых ядер в равновесное состояние зависит от воздействия окружающих их локальных электрических и магнитных полей.
Аналогично тому, как для передачи энергии от внешнего мира спинам ядер необходимо выполнение условия резонанса, для того чтобы инициировать процесс релаксации возбуждённой спиновой системы, необходимо подвергнуть её воздействию электромагнитных полей, изменяющихся с частотой, равной или близкой к частоте Лармора. Этот процесс релаксации представляет собой возвращение избытка ядер, находящихся на верхнем энергетическом уровне, обратно на нижний. Если изолированный возбуждённый протон поместить в абсолютный вакуум при отсутствии каких бы то ни было электромагнитных полей, то для того чтобы ядро спонтанно вернулось в равновесное состояние с низкой энергией, может потребоваться несколько лет. Однако, если этот протон поместить в воду, окружающие ядра будут «стимулировать» процесс релаксации, который произойдёт за несколько секунд.
Процесс перехода из возбуждённого состояния в равновесное называют спин-решёточной (или продольной) релаксацией. Она характеризуется временем Т1-релаксации. Время Т1-релаксации - время, необходимое для перехода 63% ядер в равновесное состояние после воздействия 90° импульса.
Переход спинов из возбуждённого состояния в равновесное сопровождается выделением энергии. Любое взаимодействие внутри замкнутой системы не может привести к изменению её полной энергии, поэтому очевидно, что существует обмен энергией между системой спинов и каким-то резервуаром энергии. В случае ЯМР таким резервуаром служит тепловое движение атомов, ионов или молекул вещества, в котором локализованы ядерные магнитные моменты. Этот резервуар и называют решёткой.
Т1 зависит от нескольких параметров:
- типа ядра;
- резонансной частоты (напряжённости магнитного поля);
- температуры;
- подвижности спинов (микровязкости);
- присутствия больших молекул;
- присутствия парамагнитных ионов или молекул.
Два последних фактора представляют особый интерес. В чистой воде движение молекул (тепловое поступательное движение, вращение и др.) происходит очень быстро. Каждая молекула имеет собственное магнитное поле и в чистой воде ориентация (направление магнитного момента) каждой молекулы быстро меняется, что создаёт флуктуирующие магнитные поля, воздействующие на соседние ядра.
Чтобы инициировать процесс релаксации, частота таких переориентации должна быть равной (или близкой) резонансной частоте протонов. А на самом деле в чистой воде частота переориентаций гораздо выше частоты Лармора, поэтому процесс релаксации протекает медленно.
Однако, если в воду добавить крупные малоподвижные молекулы, например белки, то молекулы воды будут с ними взаимодействовать. Это взаимодействие будет заключаться в кратковременном присоединении и последующей диссоциации молекул воды и белка. Это кратковременное связывание радикально уменьшает время переориентаций молекул воды.
Для того, чтобы охарактеризовать движение молекул, используют время корреляции (tc), определяющее минимальное время, необходимое для изменения ориентации молекулы (на угол порядка 1 рад).
Таким образом, благодаря наличию больших поверхностей белковых молекул, время Т1-релаксации воды в живых тканях всегда меньше, чем в чистой воде. Время Т1-релаксации зависит от напряжённости магнитного поля, поэтому количественно сопоставлять значения Т1, полученные при разных магнитных полях, нельзя. В связи с этим, приводя значения Т1, всегда необходимо указывать напряжённость магнитного поля, при которой они были измерены.
Сложнее объяснить, каким образом присутствие парамагнитных ионов или молекул изменяет скорость релаксации воды. Электроны создают гораздо более сильное магнитное поле, чем ядра, но при спаривании электронов остаётся лишь слабое результирующее поле. Парамагнитные ионы содержат неспаренные электроны, переориентация которых создаёт очень сильные флуктуирующие магнитные поля, что приводит к существенному уменьшению времени релаксации. Типичные парамагнитные вещества содержат ионы Mn2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Gd3+, кроме того, парамагнитными свойствами обладают свободные радикалы и молекулярный кислород. В некоторых случаях способность парамагнитных веществ изменять скорость релаксации можно применять для изменения контраста MP-изображений, поэтому их используют в качестве контрастных веществ для МРТ.
3. Основные импульсные последовательности
Для МР-томографии разработаны различные импульсные последовательности (ИП), которые, в зависимости от цели исследования, определяют вклад того или иного параметра в интенсивность изображения исследуемых структур для получения оптимального контраста между нормальными и измененными тканями. Импульсной последовательностью называют выбранный набор определенных РЧ и градиентных импульсов, обычно неоднократно повторяемых во время сканирования, интервал между которыми, их амплитуда и форма определяют характеристики изображений. Импульсные последовательности - это компьютерные программы, контролирующие все настройки аппаратуры в процессе измерений, основными параметрами которых являются:
TR - период повторения последовательности;
TE - время появления эхо-сигнала;
TI - время инверсии (интервал между инвертирующим и 90° импульсами), используется для ряда последовательностей;
ETL - длина эхо-трейна (для ряда последовательностей);
BW - ширина частотной полосы пропускания;
FA - угол отклонения, используется для ряда последовательностей;
NEX - количество возбуждений выбранного слоя.
Все временные интервалы в последовательностях задаются в мс.
Импульсные последовательности можно классифицировать следующим образом:
1) спин-эхо последовательности (спин-эхо, быстрое спин-эхо, быстрое спин-эхо с быстрым восстановлением), основанные на обнаружении спинового эха;
2) градиент-эхо последовательности (градиент-эхо, градиент-эхо с очищением), основанные на обнаружении градиентного эха;
3) последовательности с выборочным подавлением сигналов.
Импульсная последовательность «частичное насыщение» (partial saturation)
Эта самая простая импульсная последовательность в МРТ. Иногда её также называют «насыщение-восстановление» (Saturation recovery), хотя последняя всё-таки отличается от последовательности «частичное насыщение» большими значениями времени повторения (TR - repetition time).
Если в начальный момент времени спиновую систему, находящуюся в равновесном состоянии, подвергнуть воздействию 90° импульса, это вызовет отклонение вектора суммарной намагниченности М0 в плоскость х'-у'.
После промежутка времени, называемого временем повторения, спиновая система подвергается воздействию второго 90° импульса переносящего намагниченность в плоскость х'-у', где может быть зарегистрирован сигнал - спад свободной индукции.
Если TR равно или больше, чем 5Т1, то намагниченность в плоскости
х'-у' будет равна М(TR). Однако, если TR сравнимо с Т1, будет происходить неполная релаксация, приводящая к тому, что наблюдаемая намагниченность в плоскости х'-у' будет меньше М0.
Если спиновая система повторно возбуждается со временем повторения TR меньшим, чем 5Т1, то регистрируемая величина намагниченности меньше максимального значения М0. Насколько меньше - зависит от отношения TR/T1.
Этот эффект может принести большую пользу, если в исследуемом образце содержатся разные вещества с различными значениями Т1. Он даёт возможность ослабить часть сигнала, исходящего от образца, что можно применить, например, для подавления сигнала от жировой ткани.
Различные образцы реагируют на последовательность (цепочку) равноотстоящих 90° импульсов по-разному. Это является причиной зависимости контраста тканей.
Импульсную последовательность «частичное насыщение» для построения изображений в МРТ используют только в несколько изменённой форме (при помощи градиентных импульсов производят рефокусировку сигнала - получается «градиентное эхо»). Это аналогично импульсной последовательности FLASH, которая будет описана ниже.
Импульсная последовательность «инверсия-восстановление»
Рис. 2. Схема последовательность «инверсия-восстановление»
Последовательность инверсия-восстановление (Inversion Recovery, IR) представляет собой разновидность импульсной последовательности спин-эхо, в которой первым подается инвертирующий 180° РЧ-импульс (см. рис. 2), поворачивающий суммарную намагниченность против внешнего поля (если на спины, находящиеся в равновесном состоянии, воздействовать 180° импульсом, то макроскопическая намагниченность М0 инвертируется относительно направления внешнего магнитного поля). После его отключения поперечная намагниченность отсутствует, а продольная испытывает спин-решеточную релаксацию и возвращается от значения Mz в равновесное состояние вдоль поля. Скорость восстановления определяется временем Т1-релаксации. Если после некоторого промежутка времени, называемого временем инверсии (Т1 - Inversion time), спиновую систему подвергнуть воздействию 90° импульса, фактически существующая в этот момент времени продольная намагниченность будет перенесена в плоскость х'-у', где её можно будет зарегистрировать в виде сигнала (спад свободной индукции). Протоны начинают терять синхронность прецессии (сдвиг по фазе) и подаваемый затем 180° импульс создает эхо-сигнал. Временной промежуток между 90° возбуждающим импульсом и серединой считывающего импульса называют временем TE, по аналогии с ИП спин - эхо.
Преимущество последовательности инверсия-восстановление - сильный контраст между тканями, имеющими разное время T1 релаксации, на который влияют параметры TI, TR и TE. Время инверсии TI является основным параметром, выбирая который можно подавить сигнал от выбранного компонента.
Сигнал, как функция от TI, без повторения последовательности выглядит следующим образом:
S = k (1 - 2e-TI/T1) (10)
Когда, в целях усреднения или формирования изображения, последовательность инверсия-восстановление повторяется каждые TR секунд, сигнальное уравнение принимает вид:
S = k (1 - 2e-TI/T1 + e-TR/T1) (11)
При выборе оптимального времени спин-решеточной релаксации подавляемого компонента T1, рассматривают не только силу магнитного поля, но и тип подавляемых тканей и анатомию. Существуют разные виды IR ИП: для удаления сигнала от движущейся жидкости используется FLAIR (Fluid Attenuation Inversion Recovery); STIR (Short T1 Inversion Recovery) чувствительна к стационарным (не движущимся) жидкостям. Недостаток этих последовательностей в том, что дополнительный инвертирующий РЧ-импульс увеличивает продолжительность сканирования.
В МРТ эту последовательность обычно приспосабливают для получения определённых изображений, например, комбинируют с импульсной последовательностью спин-эхо.
Последовательность спин-эхо
После возбуждения спиновой системы 90° импульсом происходит расфазировка спинов в плоскости х'-у', т.е. они перестают прецессировать в одной фазе, отделяются друг от друга и веерообразно расходятся из-за того, что некоторые двигаются быстрее, а некоторые - медленнее.
Если после задержки времени Т эту систему подвергнуть воздействию 180° импульса, это вызовет обратный процесс - рефазировку. Теперь быстрые спины окажутся позади медленных, и они не будут дальше разбегаться, наоборот, быстрые спины начнут догонять медленные, и совпадение фаз произойдёт через промежуток времени, называемый временем эхо (ТЕ - time echo), равный 2Т.
180° импульс изменяет фазу каждого спина на 180°, т.е. меняет её на противоположную. Положение спинов не изменяется, так что они продолжают вращаться в том же направлении. Однако 180° импульс заставляет спины вернуться в исходное положение («выровняться» в одну фазу) вместо того, чтобы продолжать всё более удаляться друг от друга.
Такую последовательность 90-180° импульсов называют «спин-эхо» (SE - spin echo). Если на систему воздействовать последовательностью из нескольких 180° импульсов, возникнет несколько эхо-сигналов с убывающей амплитудой. Такую импульсную последовательность называют множественным спин-эхо или мультиэхо (multiple spin-echo, multiecho).
Кривая, проведённая через центры пиков эхо-сигналов, отражает истинное время Т2-релаксации. В центре эхо-сигналов влияния неоднородностей магнитного поля взаимно уничтожаются. А поскольку максимальная амплитуда эхо-сигналов не зависит от неоднородностей поля и постоянных градиентных полей, эти значения точно передают спин-спиновую релаксацию образца. Потоки или диффузия необратимо переносят спины из одного места в другое, что приводит к постепенному затуханию эхо-сигналов.
Спад после 90° импульса, а также по обе стороны от середины эхо-сигнала определяется процессом Т2* в большей степени, чем Т2. Поэтому спад эхо-сигналов происходит быстрее, чем спад максимальных интенсивностей множественных эхо-сигналов.
Рис. 3. Последовательность 90-180° импульсов «спин-эхо»
Спин-эхо последовательность - наиболее часто используемая ИП, основанная на обнаружении спинового эха. Первым подается 90° РЧ импульс, поворачивающий намагниченность в плоскость XY. Протоны начинают синхронно вращаться, но из-за неоднородности поля синхронность будет теряться и поперечная составляющая сместится по фазе. Через некоторое время прикладывается 180° импульс, поворачивающий намагниченность вокруг оси X; протоны окажутся в фазе, создав значительную поперечную намагниченность для получения сигнала спин-эхо.
Рис. 4. Временная диаграмма показывает положения двух РЧ-импульсов и сигнала относительно друг друга
Рис. 5. Схема спин-эхо последовательности
После получения пика эхо-сигнала происходит потеря синхронности прецессии (сдвиг по фазе) и сигнал снова уменьшается. Если в этот момент снова приложить 180° импульс, то через время ТЕ появится новый эхо сигнал. Такая SE последовательность называется мультиэхо, а ряд 180° рефокусирующих импульсов - эхо-трейном. Восстановление z - намагниченности в последовательности SE происходит через время T1 (100-2000 мс) - обычно много меньшее, чем время T2, т.к. для большинства живых тканей T1 > T2. В простейшем SE отображении ИП повторяется столько раз, сколько линий в изображении.
Изображения, полученные с помощью спин эхо, характеризуются меньшими геометрическими искажениями, и, соответственно, более резкими контурами. Единственным недостатком SE является сравнительно большое время сканирования. На контрастность получаемых изображений влияют время TR (определяет уровень насыщения тканей или влияние процесса T1 релаксации) и время TE (определяет уровень расфазирования до момента считывания эхо-сигнала или влияние процесса T2 релаксации).
Сигнальное уравнение для повторяющейся спин-эхо последовательности, как функции от времени повторения (TR - time repetition) и времени эхо (TE - echo time), определяемое, как время между 90°-импульсом и максимальной амплитудой в эхо, выглядит следующим образом
S = k (1 - e-TR/T1) e-TE/T2 (12)
Локализация спинов при помощи градиентных магнитных полей
В экспериментах по созданию изображений нас интересует не столько информация о химических сдвигах, сколько пространственная информация: мы хотим знать, из какой точки исследуемого объекта исходит каждый сигнал.
Как ранее было указано, частота Лармора пропорциональна величине напряжённости магнитного поля. Если создать магнитное поле, напряжённость которого будет линейно изменяться вдоль исследуемого объекта, то резонансные частоты ядер, находящихся в разных точках пространства, также будут линейно изменяться. Это явление называют наложением градиентного магнитного поля. В настоящее время градиентные магнитные поля применяют для пространственного кодирования во всех методах получения МР-изображений.
Внутри магнита томографа установлен набор градиентных катушек, создающий градиентные магнитные поля, однообразно изменяющиеся вдоль каждой из трёх осей (х, у и z). Напряжённость этих градиентных магнитных полей достигает значений до 30 мТл/м в стандартных МР-томографах, хотя при использовании градиентных катушек меньшего размера или в специализированных томографах можно получить и более сильные градиенты. Несмотря на то, что вариации частот прецессии, создаваемых градиентными полями, очень малы по сравнению с самими значениями резонансных частот, это даёт возможность построения MP-изображений с достаточно высоким разрешением. Например, для создания разброса значений резонансных частот в 25 кГц на расстоянии 30 см необходимо градиентное магнитное поле с напряжённостью всего 2 мТл/м.
Возбуждение выбранных спинов
Градиентные магнитные поля позволили кодировать пространственное положение ядер в образце, но вместе с тем они добавили существенную проблему: такое, на первый взгляд, пустяковое действие, как включение градиентов после РЧ-импульса, значительно снижает интенсивность MP-сигнала. В идеальных условиях намагниченность должна оставаться смещённой к оси у' и уменьшаться со скоростью, которая определяется Т2-значением. Однако даже малейшее несовершенство однородности магнитного поля вызывает быстрое рассеивание намагниченности. То есть градиентные магнитные поля, которые мы хотели использовать для определения пространственного местонахождения ядер, значительно усиливают процесс расфазировки спинов. Таким образом, если мы измерим сигнал в присутствии стабильного градиента, то обнаружим, что результирующий сигнал окажется или очень слабым, или вообще будет отсутствовать.
Чтобы избежать этой проблемы, нужно повторно сформировать сигнал в присутствии градиентных магнитных полей. Это можно сделать при помощи импульсных последовательностей спин-эхо и градиентное эхо, которые восстановят начальную амплитуду сигнала в присутствии градиентов, позволяя и зарегистрировать сигнал, и осуществить пространственное кодирование ядер.
резонанс релаксация магнитный спин
Список литературы
1) Магнитный резонанс в медицине. Петер А. Ринкк. Перевод с англ. Синицына, Москва, Издательский дом «ГЭОТАР-МЕД» 2003 г.
2) журнал Nature Neuroscience.
3) Функциональная магнитно-резонансная томография в нейрохирургии супратенториальных опухолей головного мозга. С.К. Терновой, В.Е. Синицын, С.П. Морозов, А.Г. Притыко, Б.П. Симерницкий
4) Эверт Блинк. Основы магнитно-резонансной томографии: Физика
5) Мэнсфилд П. Быстрая магнитно-резонансная томография. Успехи физических наук, 2005
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Возбуждение ядер в магнитном поле. Условие магнитного резонанса и процессы релаксации ядер. Спин-спиновое взаимодействие частиц в молекуле. Схема устройства ЯМР-спектрометра. Применение спектроскопии ЯМР 1H и 13CРазличные методы развязки протонов.
реферат [4,1 M], добавлен 23.10.2012Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных. Суть явления электронного парамагнитного резонанса. Исследования с помощью ЭПР металлсодержащих белков. Метод ядерного магнитного резонанса. Применение ЯМР в медицине.
реферат [28,2 K], добавлен 29.04.2013Происхождение спектров ядерного магнитного резонанса. Угловой момент и магнитный момент ядра. Магнитно-резонансная томография, ее назначение и функции, применение. Электронный парамагнитный резонанс. Расщепление энергетических уровней, эффект Зеемана.
презентация [397,0 K], добавлен 15.05.2014Исследование капиллярного подъема магнитной жидкости при воздействии электрического и магнитного полей. Изучение проявления действия пондеромоторных сил на жидкие намагничивающиеся среды и процессы релаксации заряда в тонких слоях магнитных жидкостей.
лабораторная работа [1,9 M], добавлен 26.08.2009Исследование и описание метода магнитно-резонансной томографии (МРТ). Устройство МР томографа. Физические основы явления ядерного магнитного резонанса. Диаграммы энергетических уровней. Статистика Больцмана. Спиновые пакеты. Импульсные магнитные поля.
реферат [7,7 M], добавлен 11.03.2011Характеристики магнитного поля и явлений, происходящих в нем. Взаимодействие токов, поле прямого тока и круговой ток. Суперпозиция магнитных полей. Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля. Действие магнитных полей на движущиеся токи и заряды.
курсовая работа [840,5 K], добавлен 12.02.2014Ознакомление с некоторыми сведениями о ядерно-магнитном резонансе и основными направлениями его применения. Описание процедур ориентации протонов, отклонения спинов, прецессии, расфазовки, рефокусировки поперечной и продольной релаксации импульсов.
статья [638,0 K], добавлен 14.01.2011Процессы в электрических цепях с сосредоточенными параметрами. Четырехполюсники при переменных токах. Расчет электрических полей. Теорема Гаусса и ее применение. Расчет симметричных магнитных полей. Моделирование плоскопараллельного магнитного поля.
методичка [4,4 M], добавлен 16.10.2012Примеры расчета магнитных полей на оси кругового тока. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса-Остроградского для вектора: основное содержание, принципы. Теорема о циркуляции вектора. Примеры расчета магнитных полей: соленоида и тороида.
презентация [522,0 K], добавлен 24.09.2013Определение наличия и направления магнитного поля метки. Создание постоянного магнитного поля, компенсирующего действие постоянных внешних магнитных полей. Принципиальная схема зарядно-разрядного узла устройства. Определение разряда накопительной емкости.
лабораторная работа [1,2 M], добавлен 18.06.2015Квантовая механика как абстрактная математическая теория, выражающая процессы с помощью операторов физических величин. Магнитный момент и ядерный спин, их свойства и уравнение. Условия термодинамического равновесия и применение резонансного эффекта.
реферат [1,3 M], добавлен 27.08.2009Геомагнитное поле земли. Причины возникновения магнитных аномалий. Направление вектора напряженности земли. Техногенные и антропогенные поля. Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП. Влияние магнитных полей на растительный и животный мир.
курсовая работа [326,4 K], добавлен 19.09.2012Регулирование скорости тягового электродвигателя при изменении магнитного поля. Пересчет характеристик при изменении магнитного поля и смешанном возбуждении. Особенности магнитного потока при шунтировании сопротивления и изменением числа витков обмотки.
презентация [321,9 K], добавлен 14.08.2013Модели атомных ядер, в которых понятие потенциала применяется и нет. Экспериментальные факты, подтверждающие зависимость ядерных сил от расстояния, спинов, относительного орбитального момента нуклонов. Различные классификации ядерных потенциалов.
дипломная работа [133,1 K], добавлен 16.08.2011Основные критерии классификации магнитных материалов. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей. Свойства ферритов и магнитодиэлектриков. Магнитные материалы специального назначения. Анализ магнитных цепей постоянного тока.
курсовая работа [366,4 K], добавлен 05.01.2017Анализом действующих на дипольную частицу сил. Изучение диполь-дипольного взаимодействия однодоменных дисперсных частиц. Формула расчета эффективных полей при разных формах зависимости, когда выполняется требование однородности среды.
доклад [47,9 K], добавлен 20.03.2007Квантование магнитного потока. Термодинамическая теория сверхпроводимости. Эффект Джозефсона как сверхпроводящее квантовое явление. Сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы, их применение. Прибор для измерения слабых магнитных полей.
контрольная работа [156,0 K], добавлен 09.02.2012Изучение геофизических и магнитных полей Земли, влияние их на атмосферу и биосферу. Теория гидромагнитного динамо. Причины изменения магнитного поля, исследование его с помощью археомагнитного метода. Передвижение и видоизменение магнитосферы планеты.
реферат [19,4 K], добавлен 03.12.2013Введение в магнитостатику. Сила Лоренца. Взаимодействие токов. Физический смысл индукции магнитного поля, его графическое изображение. Примеры расчета магнитных полей прямого тока и равномерно движущегося заряда. Сущность закона Био–Савара-Лапласа.
лекция [324,6 K], добавлен 18.04.2013Магнитно-силовая микроскопия как инструмент для исследования микро- и наномагнитных структур. Определение рельефа с использованием контактного или прерывисто-контатного методов. Магнитное взаимодействие, явление парамагнетизма и ферромагнетизма.
реферат [592,7 K], добавлен 18.10.2013
