Физика Компьютерной КТ и Магнитно-Резонансной МРТ томографии Фадеева

Физика Компьютерной (КТ) и Магнитно-Резонансной (МРТ) томографии. Фадеева Л. М. Отделение рентгенохирургических методов диагностики и лечения НИИ нейрохирургии РАМН им. акад. Н. Н. Бурденко

Методы визуализации сечений головного и спинного мозга • До середины XX Морфо-анатомический срезы препаратов мозга, рисунки и фотографии • Со второй половины XX века Томографический изображения послойных сечений мозга

Метод Н. И. Пирогова 1852

МЕТОДЫ ЛУЧЕВОЙ ДИАГНОСТИКИ • Ультразвуковые эхо-ЭГ, УЗ-сканирование, допплерография • Оптические оптическая томография мозга, ИК- методы • Рентгеновские краниография, ангиография, компьютерная томография • Магнитно-резонансная томография • Радиоизотопные ПЭТ, ОФЭКТ

Анатомические сечения и МРТ

Компьютерная (КТ) и магнитнорезонансная (МРТ) томография. • КТ и МРТ-сходство и отличия • Физика и основные принципы визуализации в КТ и МРТ • Тканевая контрастность • Новые технологии - методы молекулярной визуализации

Что общего между КТ и МРТ? – Методы основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом – Результат - серия томографических срезов (в нейрорентгенологии - сечений головного или спинного мозга) – КТ и МРТ - цифровые методы лучевой диагностики: для построения обработки, записи и архивации изображений используются компьютерные информационные технологии

Принципиальные отличия между КТ и МРТ! 1. Длина волны электромагнитного излучения: КТ (10 - 0, 0001) нм, кванты излучения рентгеновского диапазона (ионизирующее излучение) МРТ (0, 01 -3, 0)км, импульсы радиоволн радиочастотного диапазона (ионизирующего излучения нет)

Принципиальные отличия между КТ и МРТ! 2. Взаимодействие ЭМ излучения с веществом: R- квант • КТ с электронами внутренних орбиталей атомов +Z • МРТ с протонами в составе ядер атома водорода m + РЧИ

Принципиальные отличия между КТ и МРТ! 3. Способ сканирования : – КТ - механический движение излучателя вокруг объекта ky – МРТ - радиочастотный движение в фазовом пространстве при изменении частоты радиоволны kx

Физика КТ Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом • рассеяние без изменения частоты (5%, до 30 кэ. В): • рассеяние с изменением частоты (Комптоновское, 70 -200 кэ. В) +Z +Z +Z • фотоэффект - поглощение рентгеновского фотона, 10 - 50 кэ. В

Ослабление интенсивности рентгеновского излучения Линейный коэффициент ослабления- m зависит от: 1. Плотности и толщины слоя N 0 N = N 0 e -mx N 0 - число падающих фотонов, r 1 N 1, 2, 3 - число прошедших фотонов, х - толщина слоя, cм. 2. Атомный номер вещества m ~ Z r 2 < r 1 N 1 < N 2 , N 3 < N 2 3. Электронная плотность вещества m ~ ne, ne = N* Z/A N 0 4. Энергия излучения. mv ~ 1/E (кэ. В) 150 Энергия , кэв

Отделение нейрорентгенологии НИИ нейрохирургии РАМН Рентгеновские компьютерные томографы. Основные элементы • Гентри - штатив Рентгеновская трубка Детекторы • Управляющий компьютер • Пульт оператора • Кровать (стол) пациента

Основные принципы КТ «Сырые» данные => «реконструкция» => изображение “Сырые” данные: Si = exp(- S S mi dxj) -проекции «Реконструкция» - восстановление m (х, у) по проекциям

Схемы сканирования Поколения РКТ Период вращения трубки: а I II IV V VI ~ 5 мин ~ 1. 5 мин ~ 45 с ~ 1. 5 с < 1. 0 с < 500 мс VI

Методы реконструкции изображения Si => mij(x, y) • Алгебраические Комрак-1969 Системы линейных уравнений • Геометрические «Обратное проецирование» Si 3 5 5 3 • 5 S 1 1 3 Аналитические Фурье- анализ S 2 Si 1 t 1 FT 2 3 1 1 1 mij(x, y) m(r, f) w

Контрастность изображения Шкала Хаунсфилда : KTплотность= (m. T - mводы ) / mводы Х 1000 ед. Н Хаунсфилд , 1972 Хаунсфилд и Комрак - Нобелевская премия по биологии и медицине 1979 г. Шкала КТ плотности ткани «Окно» Шкала оттенков серого цвета

КТ изображения 2 D и 3 D модели Серия последовательных аксиальных срезов 2 D реформации - срезы в произвольной (косой) проекции 3 D реформации - объемные модели

Физика МРТ Взаимодействие радиоволн с ядрами атомов 1 Н 1. Протоны -ядра 1 Н: спин и магнитный момент 2. Протоны во внешнем магнитном поле: намагниченность (прецессия) 3. ЯМР - резонансное поглощение протонами энергии радиоволн: радиочастотный импульс изменение намагниченности (90° и 180° РЧИ) 4. Процессы Т 1, Т 2*, Т 2 - релаксации МР сигналы (уравнения Блоха) 5. Импульсные последовательности (регистрация данных) движение в фазовом пространстве

2. Протоны во внешнем магнитном поле B 0 m В 0 + + Е Энергия, э. В m Е 1 р = 0, 50000049, р = 0, 4999951 при Т = 310°К, В 0 = 1. 5 Тл р- вероятность 2 3 ΔЕ = Е - Е = hg. B 0/2 p M ~ B 0 h -постоянная Планка Во внешнем магнитном поле в веществе появляется суммарная намагниченность М = m * р - m * р , пропорциональная величине поля B 0 , Тл

3. ЯМР - резонансное поглощение протонами энергии радиоволны ΔЕ = Е - Е = h F 0=2πω0 = γВ 0/ 2π F 0, ω0 - резонансная частота Энергия, э. В Е Радиоволна: A sin(ω0 t) m m + + M 1=0 M 0=2 Е m + 1 2 3 Bo, Тл m + m +

3. ЯМР: Радиоволна и радиоимпульс Переменное магнитное поле В 1 В 0 B 1 РЧИ -радиоимпульс Радиоволна: Е 1 sin(ω0 t+f) B 1 sin(ω0 t+f) T t, с E 1 t, с B 1 0 F 0= ω0 /2 p F, Гц

Сигнал в МРТ Процессы Т 1, Т 2* - релаксации МР сигналы (уравнения Блоха) Уравнение Блоха: Решения уравнения: Ф. Блох, 1946 100% 37% 63% время Т 2 Т 1 2 Т 1 3 Т 1 4 Т 1 время

4. Процессы Т 1, Т 2 – релаксации и тканевая контрастность 1, 2 1 0, 8 0, 6 0, 4 0, 2 0 1, 2 Жир Мозг 1 Ликвор 0, 8 0, 6 Мозг Жир 0, 4 мс 0 2000 4000 6000 8000 0, 2 0 мс 0 50 100 150 200 250

5. Радичастотный метод визуализации P. Lauterbur (1973) и Mansfield(1975) -кодирование координат воксела с помощью градиентных магнитных полей Gy zi B 0 z Gx Gy Gх x f f y

Импульсная последовательность 90° РЧИ Gz 180° • РЧИ – создание МР сигналов от каждого элемента объекта Gx Gy S • Градиенты - кодирование «адреса» каждого пиксела

5. Импульсные последовательности • • • Спиновое Эхо - SE Градиентное Эхо - GR/GRE Эхопланарные ИП - EPI

Тканевая контрастность в КТ (РКТ) и МРТ • Параметры регистрации • Различия в тканевых характеристиках

Новые технологии КТ и МРТ • КТА и МРА – исследования сосудов – ангиография ( МРА - в даже, без применения КВ) • ЛГ – ликврорография и миелография (визуализация ликворных пространств) • ФЛГ - ликвородинамика (исследование движения ликвора в различных отделах ликворной системы головного и спинного мозга ) • МР спектроскопия • (изучение направленности метаболических процессов в тканях) • диффузионная и перфузионная МРТ • (визуализация и количественная оценка теплового и микроскопического движения протонов) • ф. МРТ - -Функциональная МРТ • (исследования функциональных зон коры мозга)