핵자기공명. 자기공명영상 의학에서의 자기공명

자기공명영상(MRI)– 신체의 내부 구조를 시각화할 수 있는 현대적인 비침습적 기술입니다. 핵자기공명 효과에 기초 - 반응 원자핵자기장 내 전자파에 노출됩니다. 인체의 모든 조직에 대한 3차원 이미지를 얻을 수 있습니다. 널리 사용되는 다양한 분야의학: 위장병학, 호흡기학, 심장학, 신경학, 이비인후학, 유방학, 산부인과 등 높은 정보 내용, 안전성 및 합리적인 가격으로 인해 모스크바의 MRI는 질병 및 병리학 적 상태를 진단하는 데 사용되는 방법 목록에서 선두 위치를 차지하고 있습니다. 다양한 기관과 시스템.

연구의 역사

MRI가 만들어진 날짜는 전통적으로 미국의 물리학자이자 방사선학자인 P. Lauterbur가 이 주제에 관한 기사를 발표한 1973년으로 간주됩니다. 그러나 MRI의 역사는 훨씬 더 일찍 시작되었습니다. 1940년대에 미국인 F. Bloch와 R. Purcell은 핵자기공명 현상을 독립적으로 기술했습니다. 50년대 초, 두 과학자는 물리학 발견으로 노벨상을 받았습니다. 1960년에 소련 군 장교가 MRI 기계의 유사체를 설명하는 특허를 신청했지만 "실행 불가능"하다는 이유로 거부되었습니다.

Lauterbur의 논문이 출판된 후 MRI는 급속도로 발전하기 시작했습니다. 조금 후에 P. Mansfield는 이미지 수집 알고리즘을 개선하는 작업을 수행했습니다. 1977년 미국 과학자 R. 다마디안(R. Damadian)은 MRI 연구를 위한 최초의 장치를 만들어 테스트했습니다. 최초의 MRI 기계는 지난 세기 80년대 미국 진료소에 등장했습니다. 90년대 초에는 이미 전 세계에 이러한 장치가 약 6,000개 있었습니다.

현재 MRI는 복부 장기, 관절, 뇌, 혈관, 척추, 척수, 신장, 후복막, 여성 생식기 및 기타 해부학적 구조의 질병에 대한 현대적인 진단을 상상하는 것이 불가능한 의료 기술입니다. MRI를 사용하면 질병 초기 단계의 특징적인 사소한 변화도 감지하고, 장기 구조를 평가하고, 혈류 속도를 측정하고, 뇌의 다양한 부분의 활동을 결정하고, 병리학적 초점을 정확하게 위치시키는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.

시각화 원리

MRI는 핵자기공명 현상을 기반으로 합니다. 코어 화학 원소그들은 축을 중심으로 빠르게 회전하는 일종의 자석입니다. 외부 자기장에 들어가면 핵의 회전축이 특정 방식으로 이동하고 핵은 이 자기장의 힘선 방향에 따라 회전하기 시작합니다. 이 현상을 행렬이라고합니다. 특정 주파수(행렬의 주파수와 일치)의 전파를 조사하면 핵은 전파 에너지를 흡수합니다.

조사가 중단되면 핵은 정상 상태로 돌아가고 흡수된 에너지가 방출되어 특수 장치를 사용하여 기록되는 전자기 진동이 생성됩니다. MRI 기계는 수소 원자핵에서 방출되는 에너지를 기록합니다. 이를 통해 신체 조직의 수분 농도 변화를 감지하여 거의 모든 장기의 이미지를 얻을 수 있습니다. 수분 함량이 낮은 조직(뼈, 기관지폐포 구조)을 시각화하려고 할 때 MRI를 수행할 때 특정 제한 사항이 발생합니다. 이러한 경우 이미지는 충분한 정보를 제공하지 못합니다.

MRI의 종류

연구 중인 영역을 고려하여 다음과 같은 유형의 MRI를 구분할 수 있습니다.

머리 MRI(뇌, 뇌하수체 및 부비동).
흉부 MRI(폐와 심장).
복강 및 후복막 공간(췌장, 간, 담도, 신장, 부신 및 이 부위에 위치한 기타 기관)의 MRI.
골반 장기(요로, 전립선 및 여성 생식기)의 MRI.
근골격계(척추, 뼈, 관절)의 MRI.
유선, 목의 연조직(타액선, 갑상선, 후두, 림프절 및 기타 구조), 인체의 다양한 부위의 근육 및 지방 조직을 포함한 연조직의 MRI.
혈관 MRI(뇌혈관, 사지 혈관, 장간막 혈관 및 림프계).
전신 MRI. 일반적으로 다양한 장기 및 시스템의 전이성 손상이 의심되는 진단 검색 단계에서 사용됩니다.

MRI는 조영제를 사용하거나 사용하지 않고 수행할 수 있습니다. 또한 조직 온도, 세포내액의 움직임, 언어, 움직임, 시력 및 기억을 담당하는 뇌 영역의 기능적 활동을 평가할 수 있는 특별한 기술이 있습니다.

표시

모스크바의 MRI는 일반적으로 다음 용도로 사용됩니다. 마지막 스테이지방사선 촬영 및 기타 일차 진단 연구 후 진단. MRI는 진단을 명확히 하고, 감별진단하고, 병리학적 변화의 심각도와 정도를 정확하게 평가하고, 보존적 치료 계획을 준비하고, 수술적 개입의 필요성과 범위를 결정하며, 치료 중 및 장기적으로 동적 모니터링을 수행하는 데 사용됩니다. .

머리의 MRI뼈, 표면 연조직 및 두개 내 구조 연구를 위해 처방되었습니다. 이 기술은 뇌, 뇌하수체, 두개내 혈관 및 신경, ENT 기관, 부비동 및 머리 연조직의 병리학적 변화를 확인하는 데 사용됩니다. MRI는 선천성 기형, 염증 과정, 1차 및 2차 암 병변, 외상성 부상, 내이 질환, 눈 병리 등의 진단에 사용됩니다. 절차는 조영제를 사용하거나 사용하지 않고 수행할 수 있습니다.

가슴 MRI심장, 폐, 기관, 큰 혈관 및 기관지, 흉막강, 식도, 흉선 및 종격동 림프절의 구조를 연구하는 데 사용됩니다. MRI의 적응증은 심근 및 심낭의 병변, 혈관 장애, 염증 과정, 흉부 및 종격동의 낭종 및 종양입니다. MRI는 조영제를 사용하거나 사용하지 않고 수행할 수 있습니다. 폐포 조직을 검사할 때는 그다지 유익하지 않습니다.

복강 및 후복막 MRI췌장, 간, 담관, 내장, 비장, 신장, 부신, 장간막 혈관, 림프절 및 기타 구조의 구조를 연구하기 위해 처방되었습니다. MRI에 대한 적응증은 발달 이상, 염증성 질환, 외상성 부상, 담석증, 요로결석증, 원발성 종양, 전이성 신생물, 기타 질병 및 병리학적 상태입니다.

골반 MRI남성의 직장, 요관, 방광, 림프절, 골반 내 조직, 전립선, 여성의 난소, 자궁 및 나팔관 연구에 사용됩니다. 연구에 대한 적응증은 발달 결함, 외상성 부상, 염증성 질환, 공간 점유 과정, 방광 및 요관 결석입니다. MRI는 신체에 방사선 노출을 수반하지 않으므로 임신 중에도 생식계 질환을 진단하는 데 사용할 수 있습니다.

근골격계 MRI관절, 뼈, 척추의 특정 부분 또는 전체 척추를 포함한 다양한 해부학 적 영역의 뼈 및 연골 구조, 근육, 인대, 관절낭 및 윤활막 연구에 처방됩니다. MRI를 사용하면 다양한 발달 이상, 외상성 부상, 퇴행성 질환은 물론 뼈와 관절의 양성 및 악성 병변을 진단할 수 있습니다.

혈관 MRI대뇌 혈관, 말초 혈관, 내부 장기로의 혈액 공급과 관련된 혈관 및 림프계 연구에 사용됩니다. MRI는 발달 결함, 외상성 부상, 급성 및 만성 뇌혈관 사고, 동맥류, 림프부종, 혈전증 및 사지 및 내부 장기 혈관의 죽상동맥경화성 병변에 사용됩니다.

금기 사항

심장 박동기 및 기타 이식된 전자 장치, 대형 금속 임플란트 및 Ilizarov 장치는 모스크바에서 MRI에 대한 절대 금기 사항으로 간주됩니다. MRI에 대한 상대적 금기 사항에는 인공 심장 판막, 비금속 중이 임플란트, 달팽이관 임플란트, 인슐린 펌프 및 강자성 염료를 사용하는 문신이 포함됩니다. 또한 MRI에 대한 상대적 금기 사항은 임신 초기, 밀실 공포증, 보상되지 않은 심장 질환, 일반적인 심각한 상태, 운동 동요 및 의식 장애 또는 정신 장애로 인해 의사의 지시를 따르지 못하는 환자의 무능력입니다.

조영증강 MRI는 조영제에 대한 알레르기, 만성 신부전, 빈혈이 있는 환자에게는 금기입니다. 조영제를 사용하는 MRI는 임신 중에 처방되지 않습니다. 수유 기간 동안 환자는 미리 젖을 짜내고 연구 후 2일 동안(조영제가 몸에서 제거될 때까지) 수유를 삼가하도록 요청받습니다. 티타늄에는 강자성 특성이 없기 때문에 티타늄 임플란트의 존재는 모든 유형의 MRI에 금기 사항이 아닙니다. 이 기술은 자궁내 장치가 있는 경우에도 사용할 수 있습니다.

MRI 준비하기

대부분의 연구에는 특별한 준비가 필요하지 않습니다. 골반 MRI 촬영 전 며칠 동안은 가스를 생성하는 음식 섭취를 자제해야 합니다. 장내 가스의 양을 줄이려면 활성탄 및 기타 유사한 약물을 사용할 수 있습니다. 일부 환자에게는 관장이나 완하제가 필요할 수 있습니다(의사의 지시에 따라). 연구가 시작되기 직전에 방광을 비워야 합니다.

어떤 종류의 MRI를 시행하든 다른 검사(방사선 촬영, 초음파, CT, 실험실 검사) 결과를 의사에게 제공해야 합니다. MRI를 시작하기 전에 옷을 벗어야 합니다. 금속 요소머리핀, 장신구, 시계, 의치 등 모든 금속 물체. 금속 임플란트 및 전자 장치를 이식한 경우 해당 유형과 위치를 전문의에게 알려야 합니다.

방법론

환자는 단층촬영 터널로 미끄러지는 특수 테이블에 배치됩니다. 조영증강 MRI에서는 먼저 조영제를 정맥에 주입합니다. 연구가 진행되는 동안 환자는 단층촬영 내부에 설치된 마이크를 사용하여 의사와 연락할 수 있습니다. MRI 기계는 시술 중에 약간의 소음을 발생시킵니다. 연구가 끝나면 의사가 얻은 데이터를 검사하는 동안 환자에게 기다려야 합니다. 어떤 경우에는 더 완전한 그림을 만들기 위해 추가 이미지가 필요할 수 있기 때문입니다. 그런 다음 전문가는 결론을 준비하여 주치의에게 전달하거나 환자에게 전달합니다.

모스크바의 자기공명영상 비용

진단 절차의 가격은 검사 대상 영역, 대비의 필요성, 특별한 추가 기술의 사용, 장비의 기술적 특성 및 기타 요인에 따라 달라집니다. 모스크바에서 자기공명영상 가격에 가장 큰 영향을 미치는 것은 조영제 관리의 필요성입니다. 조영제를 사용할 때 환자의 총 비용은 거의 두 배가 될 수 있습니다. 스캔 비용은 진료소의 조직적, 법적 지위(민간 또는 공공), 의료기관의 수준과 평판, 전문의의 자격에 따라 달라질 수 있습니다.

자기공명영상(MRI)- 핵자기공명 현상을 이용하여 내부 장기 및 조직 연구를 위한 단층 의료 영상을 획득하는 방법. 피터 맨스필드(Peter Mansfield)와 폴 라우터버(Paul Lauterbur)는 MRI를 발명한 공로로 2003년에 노벨 의학상을 받았습니다.
처음에는 이 방법을 핵자기공명영상(NMR 영상)이라고 불렀습니다. 그러나 방사선 공포증에 시달리는 대중을 놀라게하지 않기 위해 그들은 특히이 방법에서 전리 방사선이 사용되지 않기 때문에 방법의 "핵"기원에 대한 언급을 제거했습니다.

핵자기공명

핵자기공명은 스핀이 0이 아닌 핵에서 실현됩니다. 의학에서 가장 흥미로운 것은 수소(1H), 탄소(13C), 나트륨(23Na) 및 인(31P)의 핵입니다. 모두 인체에 존재하기 때문입니다. 인체에 가장 풍부한 지방과 물에서 발견되는 수소 원자를 가장 많이(63%) 함유하고 있습니다. 이러한 이유로 현대 MRI 스캐너는 대부분 수소 핵, 즉 양성자에 "조정"됩니다.

외부 필드가 없으면 양성자의 스핀과 자기 모멘트는 무작위로 방향이 지정됩니다(그림 8a). 외부 자기장에 양성자를 배치하면 자기 모멘트는 자기장과 같은 방향이거나 반대가 되며(그림 8b), 두 번째 경우에는 에너지가 더 높아집니다.

강도 B의 자기장에 놓인 스핀을 갖는 입자는 자이로자기 비율 γ에 따라 달라지는 주파수 ν의 광자를 흡수할 수 있습니다.

수소의 경우 γ = 42.58MHz/T입니다.
입자는 광자를 흡수하여 두 에너지 상태 사이의 전이를 겪을 수 있습니다. 낮은 에너지 준위의 입자는 광자를 흡수하여 더 높은 에너지 준위에 도달하게 됩니다. 주어진 광자의 에너지는 두 상태의 차이와 정확히 일치해야 합니다. 양성자의 에너지 E는 플랑크 상수(h = 6.626·10 -34 J·s)를 통해 주파수 ν와 관련됩니다.

NMR에서는 양 ν를 공명 또는 라모 주파수라고 합니다. ν = γB 및 E = hν 따라서 두 스핀 상태 사이의 전이를 일으키려면 광자는 다음과 같은 에너지를 가져야 합니다.

광자의 에너지가 두 스핀 상태의 차이와 일치하면 에너지 흡수가 발생합니다. 지속적인 긴장 자기장그리고 무선 주파수 자기장의 주파수는 서로 엄격하게 일치해야 합니다(공명). NMR 실험에서 광자의 주파수는 무선 주파수(RF) 범위에 해당합니다. 임상 MRI에서 수소 영상의 경우 ν는 일반적으로 15~80MHz입니다.
실온에서 낮은 에너지 준위에서 스핀을 갖는 양성자의 수는 높은 에너지 준위에 있는 양성자의 수를 약간 초과합니다. NMR 분광학의 신호는 수준 모집단의 차이에 비례합니다. 과잉 양성자의 수는 B 0 에 비례합니다.

평형 상태에서 순 자화 벡터는 적용된 자기장 B 0 의 방향과 평행하며 평형 자화 M 0 이라고 합니다. 이 상태에서 자화의 Z 성분 M Z 는 M 0 과 같습니다. MZ는 종방향 자화라고도 합니다. 이 경우 횡방향(M X 또는 M Y) 자화가 없습니다. Larmor 주파수를 사용하여 RF 펄스를 전송하면 Z 축에 수직인 평면에서 순 자화 벡터를 회전할 수 있습니다. X-Y 평면.

T1 휴식
RF 펄스가 중단된 후 총 자화 벡터는 Z축을 따라 복원되어 무선 주파수 파동을 방출합니다. M Z가 어떻게 평형 값으로 돌아가는지 설명하는 시간 상수를 스핀-격자 완화 시간(T 1 )이라고 합니다.

M Z = M 0 (1 - e -t/T 1 )

T1 이완은 양성자를 포함하는 부피에서 발생합니다. 그러나 분자 내 양성자의 결합은 동일하지 않습니다. 이러한 연결은 조직마다 다릅니다. 하나의 1H 원자는 지방 조직처럼 매우 강하게 결합되어 있는 반면, 다른 원자는 물과 같이 더 약한 결합을 가질 수 있습니다. 강하게 결합된 양성자는 약하게 결합된 양성자보다 훨씬 빠르게 에너지를 방출합니다. 각 조직은 서로 다른 속도로 에너지를 방출하므로 MRI의 대비 해상도가 매우 좋습니다.

T2 휴식
T1 완화는 Z 방향에서 발생하는 프로세스를 설명하고, T2 완화는 X-Y 평면에서 프로세스를 설명합니다.
RF 펄스에 노출된 직후 순 자화 벡터(현재 횡자화라고 함)는 Z 축을 중심으로 X-Y 평면에서 회전하기 시작합니다. 모든 벡터는 위상이 같기 때문에 동일한 방향을 갖습니다. 그러나 이 상태를 유지하지는 않습니다. 순 자화 벡터는 각 스핀 패킷이 다른 패킷이 경험하는 자기장과 약간 다른 자기장을 경험하고 자체 Larmor 주파수에서 회전한다는 사실로 인해 위상이 바뀌기 시작합니다(역위상). 처음에는 역위상된 벡터의 수가 적지만 위상 일관성이 사라지는 순간까지 급격히 증가합니다. 즉, 다른 벡터의 방향과 일치하는 벡터가 없습니다. XY 평면의 전체 자화는 0이 되는 경향이 있으며, M0가 Z를 따라 갈 때까지 세로 방향 자화가 증가합니다.

쌀. 9. 자기유도 감소

횡자화의 거동을 설명하는 시상수 M XY를 스핀-스핀 완화 시간 T 2 라고 합니다. T2 이완은 직접적인 환경(분자)에서 양성자 사이의 상호 작용을 설명하기 때문에 스핀-스핀 이완이라고 합니다. T2 완화는 감쇠 프로세스입니다. 즉, 프로세스 시작 시에는 높은 위상 일관성이 있지만 마지막에는 일관성이 완전히 사라질 때까지 급격하게 감소합니다. 신호는 처음에는 강하지만 T2 이완으로 인해 빠르게 약해집니다. 이 신호를 자기 유도 감쇠(FID - Free Induction Decay)라고 합니다(그림 9).

M XY =M XYo e -t/T 2

T 2 는 항상 T 1 보다 작습니다.
위상 이동 속도는 각 조직마다 다릅니다.
지방 조직의 디페이싱은 물에 비해 더 빠르게 발생합니다. T2 이완에 대한 또 다른 참고 사항: T1 이완보다 훨씬 빠릅니다. T2 이완은 수십 밀리초 내에 발생하는 반면 T1 이완은 몇 초에 도달할 수 있습니다.

설명을 위해 표 1은 다양한 조직에 대한 시간 T 1 및 T 2 값을 보여줍니다.

1 번 테이블	직물	T 1(ms), 1.5T
T 2 (밀리초)
뇌	921	101
회백질	787	92
하얀 물질	1073	121
종양	1090	113
부종
가슴	868	49
섬유조직	259	84
하얀 물질	976	80
지방 조직	923	94
암종
간	493	43
하얀 물질	905	84
정상조직	438	45
간경변
간	868	47
하얀 물질	1083	87
지방 조직	1046	82
종양	1488	67

근육

자기공명영상장치

쌀. 10. MRI 구성표

자기 공명 단층 촬영의 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 10. MRI는 자석, 경사 코일, 고주파 코일로 구성됩니다.
영구 자석 MRI 스캐너는 강력한 자석을 사용합니다. 이미지 획득의 품질과 속도는 전계 강도에 따라 달라집니다. 최신 MRI 스캐너는 영구 자석이나 초전도 자석을 사용합니다. 영구 자석은 저렴하고 사용하기 쉽지만 0.7테슬라보다 강한 자기장을 생성할 수 없습니다. 대부분의 자기공명영상 스캐너는 초전도 자석(0.5~1.5테슬라)을 사용한 모델입니다. 매우 강한 자기장(3.0 Tesla 이상)을 갖춘 단층 촬영기는 작동 비용이 매우 비쌉니다. 1테슬라 미만의 필드를 가진 MRI 스캐너는 내부 장기의 고품질 단층 촬영을 수행할 수 없습니다. 이러한 장치의 출력이 너무 낮아 이미지를 얻을 수 없기 때문입니다.높은 해상도< 1 Тл можно проводить только исследования головы, позвоночника и суставов.

. 자기장 강도가 있는 단층 촬영에서

쌀. 열하나.
자석 내부에는 경사 코일이 있습니다. 경사 코일을 사용하면 주 자기장 B 0 에 중첩된 추가 자기장을 생성할 수 있습니다. 코일은 3세트입니다. 각 세트는 특정 방향(Z, X 또는 Y)으로 자기장을 생성할 수 있습니다. 예를 들어 전류가 Z 기울기에 적용되면 장축의 장축을 따라 Z 방향으로 자기장의 균일한 선형 변화가 생성됩니다. 몸). 자석 중심에서 자기장의 강도는 B 0이고 공진 주파수는 ν 0과 같지만 거리 ΔZ에서 자기장은 ΔB만큼 변하고 공진 주파수도 그에 따라 변합니다 (그림 11). . 일반 균일 자기장에 경사자기 교란을 추가함으로써 NMR 신호의 위치 파악이 보장됩니다. 절단 선택 구배의 작용은 정확히 원하는 영역에서 양성자의 선택적인 여기를 보장합니다. 단층촬영의 속도, 신호 대 잡음비, 해상도는 코일의 출력과 속도에 따라 달라집니다.

RF 코일
RF 코일은 펄스 시퀀스에서 순 자화를 회전시키는 필드 B 1을 생성합니다. 그들은 또한 XY 평면에서 세차 운동할 때 가로 자화를 기록합니다. RF 코일은 전송 및 수신, 수신 전용, 전송 전용의 세 가지 주요 범주로 나뉩니다. RF 코일은 B 1 필드의 방출기 역할과 연구 대상 물체의 RF 에너지 수신기 역할을 합니다.

신호 코딩

환자가 균일한 자기장 B 0 에 있을 때 머리부터 발끝까지 모든 양성자는 B 0 을 따라 정렬됩니다. 그들은 모두 Larmor 주파수로 회전합니다. 자화 벡터를 X-Y 평면으로 이동하기 위해 RF 여기 펄스가 생성되면 모든 양성자가 반응하고 응답 신호가 생성되지만 신호 소스의 위치는 파악되지 않습니다.

슬라이스 인코딩 그래디언트
Z 기울기가 켜지면 추가 자기장 G Z 가 이 방향으로 생성되어 B 0 에 중첩됩니다. 자기장이 강할수록 Larmor 주파수가 높아진다는 의미입니다. 기울기의 전체 기울기를 따라 B 필드가 다르므로 양성자가 다른 주파수로 회전합니다. 이제 주파수가 ν + Δν인 RF 펄스를 생성하면 얇은 조각의 양성자만 반응합니다. 왜냐하면 양성자만이 동일한 주파수에서 회전하기 때문입니다. 응답 신호는 이 슬라이스의 양성자에서만 나옵니다. 이러한 방식으로 신호 소스는 Z 축을 따라 위치화됩니다. 이 슬라이스의 양성자는 동일한 주파수로 회전하고 동일한 위상을 갖습니다. 슬라이스에는 엄청난 수의 양성자가 있으며 X 및 Y 축을 따른 소스의 위치는 알 수 없습니다. 따라서 신호의 즉각적인 소스를 정확하게 결정하려면 추가 코딩이 필요합니다.

쌀. 12.

위상 인코딩 그래디언트
양성자를 추가로 인코딩하기 위해 G Y 기울기가 매우 짧은 시간 동안 켜집니다. 이 시간 동안 Y 방향으로 추가 경사 자기장이 생성됩니다. 이 경우 양성자의 스핀 속도는 약간 다릅니다. 더 이상 위상이 회전하지 않습니다. 위상차가 누적됩니다. G Y 기울기가 꺼지면 슬라이스의 양성자는 동일한 주파수로 회전하지만 위상은 다릅니다. 이를 위상 인코딩이라고 합니다.

주파수 인코딩 변화도
왼쪽-오른쪽 방향을 인코딩하기 위해 세 번째 그래디언트 G X가 포함됩니다.

왼쪽의 양성자는 오른쪽의 양성자보다 낮은 주파수로 회전합니다. 주파수 차이로 인해 추가 위상차가 누적되지만 이전 단계에서 경사 위상을 인코딩하여 이미 획득된 위상차는 유지됩니다.

따라서 자기장 변화도는 코일에 의해 수신되는 신호 소스의 위치를 파악하는 데 사용됩니다.
G Z 그라데이션은 축 슬라이스를 선택합니다.
G Y 그라데이션은 서로 다른 위상의 선을 만듭니다.

G X 그라데이션은 서로 다른 빈도를 갖는 열을 형성합니다.
한 단계에서는 한 라인에서만 위상 인코딩이 수행됩니다. 전체 슬라이스를 스캔하려면 슬라이스, 위상 및 주파수 인코딩의 전체 프로세스를 여러 번 반복해야 합니다.

이렇게 하면 작은 볼륨(복셀)이 생성됩니다. 각 복셀에는 주파수와 위상의 고유한 조합이 있습니다(그림 12). 각 복셀의 양성자 수는 RF 파의 진폭을 결정합니다. 신체의 다양한 부위에서 나오는 결과 신호에는 주파수, 위상 및 진폭의 복잡한 조합이 포함됩니다.

그림에서. 그림 13은 간단한 시퀀스 다이어그램을 보여줍니다. 먼저, 슬라이스 선택 그래디언트(1)(Gss)가 켜집니다.

동시에 90 0 RF 컷 선택 펄스(2)가 생성되어 총 자화를 X-Y 평면으로 "뒤집습니다". 그런 다음 위상 인코딩 그래디언트(3)(Gpe)가 켜져 첫 번째 위상 인코딩 단계를 수행합니다. 그 후, 주파수 인코딩 또는 판독 그라데이션(4)(Gro)이 적용되며, 그 동안 자유 유도 감쇠 신호(5)(FID)가 기록됩니다. 펄스 시퀀스는 일반적으로 이미징에 필요한 모든 데이터를 수집하기 위해 128회 또는 256회 반복됩니다. 시퀀스 반복 사이의 시간을 반복 시간(TR)이라고 합니다. 시퀀스가 반복될 때마다 위상 인코딩 그래디언트의 크기가 변경됩니다. 하지만 이 경우 신호(FID)가 매우 약해 결과적인 이미지가 좋지 않았습니다. 신호 크기를 증가시키기 위해 스핀 에코 시퀀스가 사용됩니다.
스핀 에코 시퀀스
90° 여기 펄스를 적용한 후 순 자화는 X-Y 평면에 있습니다. T2 이완으로 인해 위상 변화가 즉시 시작됩니다. 신호가 급격하게 감소하는 것은 이러한 디페이싱(dephasing) 때문입니다. 이상적으로는 최상의 신호를 제공하기 위해 위상 일관성이 유지되어야 합니다. 이를 위해 90 0 RF 펄스 후 짧은 시간에 180 0 펄스가 적용됩니다. 180 0 펄스는 스핀의 위상을 변경합니다. 모든 스핀이 위상으로 복원되면 신호가 다시 높아지고 이미지 품질이 훨씬 높아집니다.

그림에서. 그림 14는 스핀 에코 펄스 시퀀스 다이어그램을 보여줍니다.

쌀. 14. 스핀-에코 펄스 시퀀스 다이어그램
먼저, 슬라이스 선택 그래디언트(1)(G SS)가 켜집니다. 동시에 90° RF 펄스가 적용됩니다. 그런 다음 위상 인코딩 그래디언트(3)(Gre)가 켜져 첫 번째 위상 인코딩 단계를 수행합니다. Gss(4)는 180° 위상 재설정 펄스(5) 중에 다시 켜지므로 90° 펄스에 의해 여기된 동일한 양성자에 영향을 미칩니다. 그 후, 신호(7)가 수신되는 동안 주파수 인코딩 또는 판독 기울기(6)(Gro)가 적용됩니다.

TR(반복 시간). 전체 프로세스를 여러 번 반복해야 합니다. TR은 두 개의 90° 여기 펄스 사이의 시간입니다. TE(에코 시간). 이는 90° 여기 펄스와 에코 사이의 시간입니다.

이미지 대비
T1 >> T2. 이미지 대비는 이러한 프로세스와 선택한 TR 및 TE 스캐닝 시간에서 각각이 얼마나 완전히 발생하는지에 따라 크게 달라집니다. 뇌 스캐닝의 예를 사용하여 대비 이미지를 얻는 것을 고려해 보겠습니다.

T1 대비

쌀. 15. a) 스핀-스핀 이완 및 b) 다양한 뇌 조직에서의 스핀-격자 이완

다음 스캐닝 매개변수를 선택해 보겠습니다. TR = 600ms 및 TE = 10ms. 즉, T1 이완은 600ms에서 발생하고 T2 이완은 600ms에서만 발생합니다.
5ms(TE/2). 그림에서 볼 수 있듯이. 5ms 후 15a의 위상 변화는 작으며 다른 조직에서도 크게 다르지 않습니다. 따라서 이미지 대비는 T2 완화에 거의 의존하지 않습니다. T1 이완의 경우 600ms 후에 지방이 거의 완전히 이완되었지만 CSF에는 여전히 시간이 필요합니다.
(그림 15b). 이는 전체 신호에 대한 CSF의 기여도가 무시할 수 있음을 의미합니다. 이미지 대비는 T1 완화 과정에 따라 달라집니다. 대비가 T1 완화 과정에 더 많이 의존하기 때문에 이미지는 "T1 가중치"입니다. 결과 이미지에서 CSF는 어둡고 지방 조직은 밝으며 회백질 강도는 그 사이 어딘가에 있을 것입니다.

T2 대비

쌀. 16. a) 스핀-스핀 이완 및 b) 다양한 뇌 조직에서의 스핀-격자 이완

이제 다음 매개변수를 설정해 보겠습니다. TR = 3000ms 및 TE = 120ms, 즉 T2 이완은 60ms에 발생합니다. 그림에서 다음과 같다. 16b에서 볼 수 있듯이 거의 모든 조직이 완전한 T1 이완을 겪었습니다. 여기서 TE는 이미지 대비의 주요 요소입니다. 이미지는 "T2 가중치"입니다. 이미지에서 CSF는 밝게 나타나는 반면 다른 조직은 다양한 회색 음영을 갖습니다.

양성자 밀도 대비

양성자 밀도(PD)라고 하는 또 다른 유형의 이미지 대비가 있습니다.
다음 매개변수를 설정해 보겠습니다. TR = 2000ms 및 TE 10ms. 따라서 첫 번째 경우와 마찬가지로 T2 완화는 이미지 대비에 미미한 기여를 합니다. TR = 2000ms인 경우 대부분의 조직의 순 자화는 Z축을 따라 복원됩니다. PD 이미지의 이미지 대비는 T2 또는 T1 완화와 무관합니다. 결과 신호는 전적으로 조직의 양성자 수에 따라 달라집니다. 양성자 수가 적으면 신호가 낮고 이미지가 어두워지는 반면, 양성자가 많으면 신호가 강하고 이미지가 밝아집니다.

쌀. 17.

모든 이미지에는 T1과 T2 대비가 조합되어 있습니다. 대조는 T2 이완이 얼마나 오랫동안 발생하도록 허용되는지에만 의존합니다. SE(스핀 에코) 시퀀스에서 TR 및 TE 시간은 이미지 대비에 가장 중요합니다.
그림에서. 도 17은 SE 시퀀스에서 이미지 대비의 관점에서 TR과 TE가 어떻게 관련되는지를 개략적으로 보여준다. 짧은 TR과 짧은 TE는 T1 가중치 대비를 생성합니다. 긴 TR과 짧은 TE는 PD 대비를 제공합니다. TR이 길고 TE가 길면 T2 가중치 대비가 생성됩니다.

쌀. 18. 대비가 다른 이미지: T1 강조, 양성자 밀도 및 T2 강조. 조직 신호 강도의 차이를 확인하십시오. CSF는 T1에서는 어둡고 PD에서는 회색이며 T2에서는 밝습니다.

쌀. 19. 자기공명영상

MRI는 연조직을 시각화하는 데 적합하고 CT는 뼈 구조를 시각화하는 데 더 좋습니다. 신경, 근육, 인대 및 힘줄은 CT보다 MRI에서 훨씬 더 명확하게 보입니다. 또한 뇌와 척수를 검사하기 위해서는 자기공명법이 필수적이다. 뇌에서 MRI는 백질과 회백질을 구별할 수 있습니다. 획득된 이미지의 높은 정확성과 명확성으로 인해 자기공명영상은 염증성 질환, 감염성 질환, 종양학적 질환의 진단, 관절, 척추의 모든 부분, 유선, 심장, 복부 기관, 골반, 혈관. 현대 MRI 기술을 사용하면 혈류 속도, 뇌척수액 흐름을 측정하고 대뇌 피질의 다양한 부분의 구조와 활성화를 관찰하는 등 장기의 기능을 연구할 수 있습니다.

의학에 레이저를 적용합니다.

레이저는 의학에서 기계적 접촉 없이 조직을 절단하는 메스로 사용됩니다. 심부 조직은 영향을 받지 않으며, 감염 위험도 없고, 절개 부위에 혈액이 없습니다. 확산 레이저 방사선은 상처 치유를 약 2배 가속화합니다. 안과수술(안구를 열거나 마취하지 않고 수술하는 수술)에서는 방사선이 집중되는 부위에 얇은 천공을 하게 됩니다.

사용된:

o 관상 동맥 심장 질환에 대한 레이저 빔 천자

o 신장과 담석을 파괴하기 위해 펄스 레이저의 높은 에너지 밀도는 결석을 파괴하는 충격파를 생성합니다.

o 종양학에서 암세포에 대한 광방사선 효과. 레이저가 종양에 미치는 영향은 다음과 같습니다. 광화학 반응헤마토포르피린과 암세포 사멸을 포함합니다. 건강한 세포는 헤마토포르피린을 흡수하지 않습니다.

o 내시경 개입 – 레이저 방사선 에너지 흡수로 인한 생물학적 조직 가열.

o 상처와 궤양이 치유되는 동안.

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13. 전자 상자성 공명. 의학에서의 EPR.

자기장에 있는 원자의 경우 동일한 준위의 하위 준위 사이에서 자발적인 전이가 발생할 가능성은 거의 없습니다. 이러한 전이는 외부 전자기장의 영향으로 유도되어 수행됩니다. 필요한 조건은 전자기장의 주파수가 분할된 하위 준위 간의 에너지 차이에 해당하는 광자의 주파수와 일치한다는 것입니다. 이 경우 전자기장 에너지의 흡수가 관찰될 수 있는데, 이를 전자기 공명이라고 합니다. EPR의 의학적, 생물학적 적용은 자유 라디칼을 검출하고 연구하며, 이와 관련하여 방사선 손상의 1차 및 2차 생성물의 변화를 모니터링하는 것입니다. 스핀 프로브는 분자에 비공유 결합된 상자성 입자입니다. 스핀 프로브의 EPR 스펙트럼 변화는 주변 분자의 상태에 대한 정보를 제공합니다. 많은 연구가 진행되고 있습니다 생물학적 물체 EPR 방법.

NMR은 핵의 자기 모멘트의 자기 재배향으로 인해 일정한 자기장에서 물질이 특정 주파수의 전자기파를 선택적으로 흡수하는 현상입니다. NMR은 자유 원자핵에 대해서만 조건이 충족될 때 관찰될 수 있습니다. 스펙트럼 NMR에서는 폭에 따라 두 가지 유형의 선이 구별됩니다. 고체의 스펙트럼은 폭이 넓으며, 이러한 NMR의 응용을 광선 NMR이라고 합니다. 액체에서는 좁은 선이 관찰되는데 이를 고해상도 NMR이라고 합니다.

샘플의 여러 지점에서 NMR 스펙트럼의 매개변수를 결정함으로써 의학에 대한 흥미로운 기회가 제공될 수 있습니다.

NMR 내시경을 사용하면 뼈, 혈관, 정상 조직 및 악성 병리가 있는 조직을 구별할 수 있습니다. NMR 내시경을 사용하면 연조직의 이미지를 구별할 수 있습니다. NMR은 전파 분광법으로 분류됩니다.

자기 공명 영상핵자기공명영상(NMR, 핵자기공명영상, MRI, 핵자기공명영상, NMR, MRI)은 내부 장기와 인체 조직을 연구하기 위한 비방사선 방법이다. 엑스레이를 사용하지 않기 때문에 이 방법대부분의 사람들에게 안전합니다.

연구가 수행되는 방법

MRI 기술매우 복잡합니다. 원자에 의한 전자기파의 공명 흡수 효과가 사용됩니다. 사람은 장치에 의해 생성된 자기장에 놓이게 됩니다. 신체의 분자는 자기장의 방향에 따라 전개됩니다. 그 후 전파를 사용하여 스캐닝이 수행됩니다. 분자 상태의 변화는 특수 매트릭스에 기록되고 컴퓨터로 전송되어 수신된 데이터가 처리됩니다. 컴퓨터 단층촬영과 달리 MRI를 사용하면 다양한 평면에서 병리학적 과정의 이미지를 얻을 수 있습니다.

자기 공명 영상내 방식대로 모습컴퓨터처럼 생겼어요. 연구는 컴퓨터 단층촬영 스캔과 동일한 방식으로 수행됩니다. 테이블은 스캐너를 따라 점차적으로 이동합니다. MRI는 CT보다 시간이 더 많이 걸리며, 보통 최소 1시간 정도 소요됩니다(척추의 한 부위 진단은 20~30분 소요).

메소드의 이름이 지정되었습니다. 자기 공명 영상 1970년대 후반 '핵'이라는 단어에 대한 부정적인 연상으로 인해 핵자기공명영상(NMRI)이 아닌 . MRI는 과학자들이 화학적 및 물리적 특성분자. MRI는 인체를 통과하는 얇은 부분에서 NMR 신호의 이미지를 생성하는 단층 촬영 기술에서 유래되었습니다. MRI는 단층촬영 기술에서 체적 이미징 기술로 발전했습니다.

이 방법은 특히 공부에 효과적입니다. 동적 프로세스(예를 들어, 혈류 상태 및 그 교란 결과) 장기 및 조직.

자기공명영상의 장점

현재 피해에 대해 자기장알려진 바가 없습니다. 그러나 대부분의 과학자들은 완전한 안전성에 대한 데이터가 없는 상황에서는 임산부가 그러한 연구를 받아서는 안 된다고 믿습니다. 이러한 이유와 장비의 높은 비용 및 낮은 가용성으로 인해 컴퓨터 단층 촬영 및 핵 자기 공명 영상은 논란의 여지가 있는 진단이나 다른 연구 방법이 실패한 경우 엄격한 적응증에 따라 처방됩니다. 인공관절, 심장박동조율기, 제세동기, 뼈를 지탱하는 정형외과 구조물 등 다양한 금속 구조물을 포함하는 신체를 가진 사람들에게는 MRI를 시행할 수도 없습니다.

다른 조사 방법과 마찬가지로 컴퓨터와 자기공명영상의사가 처방 한 것뿐입니다. 모든 의료기관이 이러한 연구를 수행하는 것은 아니므로 필요한 경우 진단 센터에 문의하십시오.

MRI(자기공명영상)는 현대적이고 안전한 장비입니다.(전리 방사선 없음) 신뢰할 수 있는 방사선 진단 방법. MRI는 중추 질환을 진단하기 위한 독특하고 사실상 비교할 수 없는 연구입니다. 신경계, 척추, 근육 관절 시스템 및 여러 내부 장기.

방광이 가득 차야 하는 경우 골반 장기 검사를 제외하고 검사를 위해 특별한 준비가 필요하지 않습니다. 검사 중에 환자는 검사 유형에 따라 약 15~20분 동안 강한 자기장이 있는 좁은 터널(튜브)에 수평 위치로 배치됩니다. 환자는 검사 중인 해부학적 부위에 완전히 가만히 있어야 합니다. MRI 시술은 통증은 없으나 소음이 많이 동반됩니다. 불편함을 줄이기 위해 헤드폰이 제공됩니다.

밀폐된 공간에 있기 때문에 심리적인 불편함도 생길 수 있습니다. 자기장에 있는 것에 대한 금기 사항이 없고 자기 방사선 영역에 있는 각 사람에 대한 정보 동의서에 서명한 후 동반자는 환자와 함께 MRI(자기공명영상)실에 있을 수 있습니다.

자기공명영상(MRI) - 전후.

MRI 연구를 수행하기 전에 절차에 대한 금기 사항을 확인할 수 있는 설문지를 작성해야 합니다. MRI 검사에 대한 금기 사항은 다음과 같습니다. 환자에게 출처를 알 수 없는 맥박 조정기(심장 박동 조율기), 보청기 및 임플란트가 있습니다. 환자의 부적절한 행동(정신 운동 초조, 공황 발작), 알코올 또는 약물 중독 상태, 밀실 공포증(밀폐된 공간에 있을 때의 두려움 및 심한 불편함), 전체 연구 기간 동안 움직이지 않을 수 없음(예: 심한 통증 또는 부적절한 것으로 인해) 행동), 활력 징후(ECG, 혈압, 호흡수)를 지속적으로 모니터링하고 지속적인 소생 조치(예: 인공 호흡)를 수행해야 할 필요성이 있습니다.

역사가 있는 경우 수술과 이물질(임플란트) 이식된 재료에 대한 인증서 또는 이 재료로 MRI 연구를 수행하는 안전성에 대해 외과적 개입(이식)을 수행한 주치의의 인증서가 필요합니다. 여성 환자를 위한 정보: 월경, 자궁내 장치의 존재 및 모유 수유는 연구의 금기 사항이 아닙니다. 임신은 상대적 금기 사항으로 간주되므로 MRI 검사 가능성에 대한 산부인과 의사의 의견이 필요합니다. 환자의 MRI 검사를 거부하는 최종 결정은 담당 MRI 방사선 전문의가 검사 직전에 내립니다.

강한 존재로 인해 자기장병상에 누워 있는 환자용 들것, 휠체어, 금속 부품이 포함된 이동 보조 장치(목발, 지팡이, 프레임)를 MRI 실로 반입하는 것은 금지되어 있습니다. 개인 물품, 장신구 및 귀중품, 금속 및 전자기 장치가 포함된 의류는 MRI 촬영실에 반입할 수 없으며 MRI 제어실의 금고에 보관할 수 있습니다.
자기공명영상은 무해해요!

환자는 연구로서 자기공명영상이 특정한 진단 한계를 가지고 있을 뿐만 아니라 병리학적 과정 진단에 있어 제한된 민감도와 특이도를 가지고 있다는 것을 알아야 합니다. 이와 관련하여, 연구 수행의 타당성에 대해 의문이 있는 경우에는 담당 의사나 MRI 담당 의사와 상담하는 것이 좋습니다. MRI 검사를 실시하고 검사할 해부학적 영역을 선택하기로 한 결정은 주치의의 추천에 따라 환자 자신이 내립니다. 자신의 주도권. MRI 연구를 수행하기 전에 환자는 독립적으로 연구의 해부학적 영역을 서면으로 표시하여 이 영역을 연구할 필요성을 확인합니다. MRI 검사 후에는 청구가 접수되지 않으며 MRI 검사 비용은 환불되지 않습니다.

어떤 경우에는 MRI의 진단 필요성정맥 조영제 강화에 관한 연구. 이러한 연구는 주치의 또는 MRI 의사의 지시에 따라서만 수행됩니다. 조영제 투여는 부작용의 위험을 최소화합니다. 환자는 조영제 정맥 투여에 대한 정보 동의서인 추가 설문지를 작성하라는 요청을 받게 됩니다. 내부 조영제 강화에 대한 금기 사항은 임신, 모유 수유, 이전에 확인된 이 그룹의 약물에 대한 과민증 및 신부전입니다.

증가를 위해 진단 효과 MRI 연구 환자는 이전 MRI 연구, 기타 방사선 방법, 실험실 또는 기능 진단의 데이터뿐만 아니라 연구 영역과 목적을 나타내는 외래 환자 카드 또는 주치의의 추천서를 지참하는 것이 좋습니다.
저희 센터에는 Siemens의 Magnetom Harmony 자기공명영상 스캐너가 설치되어 있습니다.

우리 센터에서는 뇌(머리), 척추, 관절 및 전신에 대한 MRI 검사를 수행합니다. 우리 클리닉에는 1.0 Tesla의 전계 강도를 갖는 초전도 자석을 사용하는 자기 공명 영상 스캐너가 있습니다.

컴팩트한 자석 디자인(하우징 포함 160cm)과 환자 정면 접근을 통해 환자의 편안함을 보장하고 밀실 공포증 문제를 크게 줄입니다.

각각의 고성능 경사도 세트(슬루율 50 T/m/초에서 20 mT/m, 75 T/m/초에서 30 mT/m, 125 T/m/초에서 30 mT/m) x, y, z 축), 파노라마 사용을 위해 단일 가상 어레이로 결합된 다중 요소 무선 주파수 코일의 원형 편파 기술, 임상 지향적 변형의 최신 고유 펄스 시퀀스(TrueFisp, VIBE, HASTE, EPI, PSIF-Diffusion 등)은 숨 참기가 있거나 없는 모든 종류의 일상 및 고속 검사(신경: 머리 및 척추, 정형외과, 복부, 혈관 조영술 및 심장 검사)뿐만 아니라 양성자 분광학, 뇌 등

기술이 적용된 스캐너 마에스트로 수업, MRI(자기공명영상) 검사의 지능과 전문성(1D, 2D, 3D PACE 데이터를 수집하는 과정에서 인라인 처리 및 편향 보정)을 허용하고 iPAT 기술을 사용하여 데이터 수집 속도를 최대 2- 3번. 결과적으로 Maestro Class는 기존 애플리케이션의 기능을 확장하고 새로운 애플리케이션을 열어줍니다.

오늘날에는 방사선 촬영이나 심전도가 아닌 핵 자기 공명 영상을 환자에게 의뢰하는 것이 관례가되었습니다. 이 단어 뒤에 무엇이 있는지 이해하려면 멀리서, 즉 원자핵의 자기가 무엇인지 이해하는 것부터 시작해야 합니다. 하지만 그 전에도 학교 물리학의 주요 과정에서 누락된 중요한 개념을 소개해야 합니다.

자기 모멘트

자기장에 전류가 흐르는 작은 평면 회로의 자기 특성은 이 전류의 자기 모멘트에 의해 결정됩니다.

어디 나- 현재의, 에스- 윤곽의 영역, - 김렛 규칙에 따라 구성된 윤곽에 대한 법선의 벡터(그림 1).

특히 유도 자기장에서 회로의 에너지는 다음과 같습니다.

(중심선 지함께 지시함).

μ에서 벡터 투영을 변경하여 윤곽선을 회전하려면 지-μ에 지일을 해야 해 ㅏ= 2μ z B.

원자핵 주위의 궤도를 따라 움직이는 원자 전자는 원형 전류와 동일하다고 간주될 수 있으며 여기에 자기 모멘트가 할당될 수 있습니다. 전자의 이러한 "궤도" 자기 모멘트의 존재는 원자가 자기장에 놓일 때 에너지의 변화로 나타납니다(공식 여).

실험 데이터를 면밀히 분석한 결과, 외부 자기장에서 원자의 특성은 핵 주위의 전자 이동뿐만 아니라 전자의 숨겨진 "내부 회전"의 존재에 의해서도 결정되는 것으로 나타났습니다. , 이는 스핀이라고 불렸습니다. 모두가 스핀을 가지고 있습니다 기본 입자(일부 스핀은 0입니다). "회전"의 강도는 스핀 수로 설명됩니다. 에스, 정수 또는 반정수만 가능합니다. 전자, 양성자, 중성자의 경우 에스= 1/2. 궤도 회전과 유사한 "내부 회전"은 입자에 스핀 자기 모멘트가 나타납니다. 스핀 자기 모멘트를 축에 투영 지(자기장 방향) 값을 취함

μ z =γ ms ћ ,

어디 ћ = 시간/(2π) - 플랑크 상수, ms(2s + 1) 값을 취합니다: -에스, -에스 + 1, ..., 에스 – 1,에스, γ는 자이로자기 인자(gyromagnetic Factor)라 불린다. 벡터 자체의 모듈러스는 최대 투영보다 큽니다. , 즉 모든 정지 상태에서 축에 대해 비스듬히 위치합니다. 지이 축을 중심으로 빠르게 회전합니다. μ 지= 상수, μ 엑스그리고 μ 와이빠르게 변화합니다(그림 2). 전자, 양성자, 중성자의 경우 ms두 개의 값만 취합니다: . 전자의 경우, 양성자의 경우 . 중성자조차도 일반적으로 전기적으로 중성이라는 사실에도 불구하고 스핀 자기 모멘트를 가지고 있습니다. (이것은 중성자가 내부 구조를 가지고 있어야 함을 나타냅니다. 양성자와 마찬가지로 전하를 띤 쿼크로 구성되어 있습니다.) 중성자의 경우 .

양성자와 중성자의 자기 모멘트는 전자의 자기 모멘트보다 3배(–10 3) 작다는 것을 알 수 있습니다(그들의 질량은 약 2000배 더 큽니다). 양성자와 중성자로 구성된 다른 모든 원자핵은 대략 동일한 크기의 자기 모멘트를 가져야 합니다. 모든 핵의 자기 모멘트는 매우 정확하게 측정되었습니다. 핵에 이러한 작은 (원자에 비해) 자기 모멘트가 존재하며 그 값은 핵마다 다르며 NMR 현상, 즉 핵 자기 공명 및 NMR 단층 촬영의 기초가됩니다. 우리는 주로 자연에서 가장 널리 퍼져 있는 수소 핵인 양성자에 대해 이야기할 것입니다. 수소의 동위원소는 중수소이며, 그 핵에도 자기 모멘트가 있습니다.

핵자기공명이란 무엇인가

외부 자기장에 있는 수소 원자(양성자)의 핵을 생각해 보세요. 양성자는 두 가지 고정 양자 상태에만 있을 수 있습니다. 그 중 하나에서 자기장 방향에 대한 자기 모멘트의 투영은 양수이며 다음과 같습니다.

그리고 다른 하나는 크기가 동일하지만 음수입니다. 첫 번째 상태에서 자기장 내 핵의 에너지는 -μ입니다. z B, 두 번째에는 + μ z B.처음에는 모든 핵이 첫 번째 상태에 있고, 두 번째 상태로 전환하려면 핵에 에너지를 주어야 합니다.

ΔE = 2μ z B.

이러한 상태 사이의 전이에 해당하는 주파수 Ω의 전자기 복사에 영향을 주어 핵이 자기 모멘트의 방향을 변경하도록 강제할 수 있다는 것을 이해하는 것은 어렵지 않습니다.

ћ Ω = 2μ z B.

여기에 양성자의 자기 모멘트를 대입하면 다음을 얻습니다.

어디서 비= 1 T 우리는 파동 주파수를 찾습니다: ν ≒ 4·10 7Hz 및 해당 파장: λ = 초/ν ≒ 7m - 방송 범위의 일반적인 주파수 및 파장. 정확히 이 파장의 광자는 자기장의 방향에 대해 자기 모멘트가 반전되면서 핵에 흡수됩니다. 이 경우 현장에서의 에너지는 그러한 양자의 에너지에 해당하는 양만큼 정확하게 증가합니다.

NMR 실험, 즉 중간 무선 방송 범위의 일반적인 주파수의 경우 전자기파는 빛의 전파 또는 원자에 의한 빛의 흡수 및 방출을 논의할 때 우리가 익숙한 형태로 전혀 사용되지 않습니다. 가장 간단한 경우, 우리는 발전기에 의해 생성된 교류 무선 주파수 전류가 흐르는 코일을 다루고 있습니다. 전자기장에 노출시키고 싶은 관심 핵이 포함된 샘플을 코일 축에 놓습니다. 코일 축은 정자기장에 수직으로 향하게 됩니다. 비 0(후자는 전자석 또는 초전도 솔레노이드를 사용하여 생성됨). 코일에 교류 전류가 흐르면 코일 축에 교류 자기장이 유도됩니다. 비 1, 진폭은 훨씬 더 작게 선택됩니다. 비 0(보통 10,000회). 이 자기장은 전류와 동일한 주파수, 즉 발전기의 무선 주파수에서 진동합니다.

생성기 주파수가 계산된 주파수에 가까우면 핵이 음의 투영 μ를 갖는 상태로 전이하면서 수소 핵에 의한 광양자의 집중적 흡수가 발생합니다. 지(핵의 회전). 생성기 주파수가 계산된 주파수와 다르면 양자 흡수가 발생하지 않습니다. 자기 모멘트의 회전을 수반하여 이 자기장에서 원자핵으로의 에너지 전달 과정 강도의 교류 자기장의 주파수에 대한 날카로운(공진) 의존성과 관련하여 현상은 다음과 같습니다. 핵자기공명(NMR)이라고 합니다.

정자기장과 관련하여 핵 모멘트의 역전을 어떻게 알 수 있습니까? 현대 NMR 기술로 무장하면 생성 필드를 끄면 매우 쉽습니다. 비 1 무선 주파수 발생기의 경우 안테나와 동일한 코일을 사용하여 수신기를 동시에 켜야 합니다. 동시에 핵이 필드를 따라 원래 방향으로 돌아갈 때 방출되는 전파를 등록합니다. 비 0 . 이 신호는 이전에 자기 모멘트가 여기되었던 동일한 코일에서 유도됩니다. 시간 의존성은 컴퓨터에 의해 처리되고 해당 스펙트럼 분포의 형태로 표시됩니다.

이 설명을 통해 NMR 분광계는 가시광선 범위에서 측정하는 기존 분광계와 상당히 다르다는 것을 상상할 수 있습니다.

지금까지 우리는 자기장에서 고립된 핵의 행동이라는 단순화된 그림을 고려했습니다. 동시에, 고체또는 액체에서는 핵이 완전히 분리되지 않습니다. 그들은 에너지 분포가 온도와 온도에 의해 결정되는 다른 모든 여기뿐만 아니라 서로 상호 작용할 수 있습니다. 통계적 속성시스템. 다양한 성격의 자극 상호 작용, 그 기원 및 역학이 연구 대상입니다. 현대 물리학응축된 상태.

NMR이 발견된 방법

핵자기공명에 해당하는 최초의 신호는 60여년 전 옥스포드의 펠릭스 블로흐(Felix Bloch) 그룹과 하버드의 에드워드 퍼셀(Edward Purcell) 그룹에 의해 획득되었습니다. 그 당시에는 실험적인 어려움이 엄청났습니다. 모든 장비는 과학자들이 실험실에서 직접 제작했습니다. 당시의 장치 유형은 병원이나 진료소에서 볼 수 있는 오늘날의(강력한 초전도 솔레노이드를 사용하는) NMR 장치와 비교할 수 없습니다. Purcell의 실험에 사용된 자석은 Boston Streetcar Company의 뒷마당에서 발견된 스크랩을 사용하여 만들어졌다고만 말하면 충분합니다. 더욱이, ν = 30 MHz(무선 발생기 주파수) 주파수의 전파를 조사할 때 자기장이 실제로 핵 모멘트를 반전시키는 데 필요한 것보다 더 큰 크기를 가질 정도로 보정이 너무 잘못되었습니다.

퍼셀과 그의 젊은 동료들은 그의 실험에서 핵자기공명 현상이 발생했다는 확인을 위해 노력했지만 헛수고였습니다. 며칠간의 성과 없는 시도 끝에 좌절하고 슬픈 퍼셀은 자신이 예상했던 NMR 현상이 관찰되지 않는다고 판단하고 전자석을 끄라고 지시합니다. 자기장이 감소하는 동안 실망한 실험자들은 계속해서 오실로스코프 화면을 보았는데, 이번에는 원하는 신호를 보기를 바랐습니다. 어느 시점에서 자기장이 공명에 필요한 값에 도달하고 해당 NMR 신호가 갑자기 화면에 나타났습니다. 우연이 아니었다면 이 놀라운 현상의 존재가 실험적으로 확인되기까지는 훨씬 더 많은 시간이 흘렀을 것입니다.

그 순간부터 NMR 기술은 급속도로 발전하기 시작했습니다. 그것은에서 널리 사용되었습니다 과학적 연구응집물질 물리학, 화학, 생물학, 계측학 및 의학 분야. 가장 잘 알려진 응용 분야는 NMR을 사용하여 내부 장기를 이미징하는 것입니다.

NMR을 사용하여 내부 장기를 어떻게 시각화합니까?

지금까지 우리는 코일의 약한 전자 전류의 영향을 무시하고 핵이 배치된 자기장이 균일하다고, 즉 모든 지점에서 동일한 크기를 갖는다고 암묵적으로 가정했습니다. 1973년 Paul Latterbourg는 지점마다 변하는 자기장에 샘플을 배치하여 NMR 연구를 수행할 것을 제안했습니다. 이 경우 연구 중인 핵의 공명 주파수가 지점마다 변경되어 공간 위치를 판단할 수 있다는 것이 분명합니다. 그리고 공간의 특정 영역에서 나오는 신호의 강도는 이 영역의 수소 원자 수에 비례하기 때문에 우리는 공간의 물질 밀도 분포에 대한 정보를 얻습니다. 사실 이것이 NMR 연구기술의 원리이다. 보시다시피 원리는 간단하지만 실제로 내부 장기의 실제 이미지를 얻으려면 무선 주파수 펄스를 제어하고 필요한 자기장을 생성하는 방법론을 개선하기 위한 강력한 컴퓨터를 확보해야 했습니다. 코일에서 얻은 NMR 신호를 프로파일링하고 처리합니다.

축을 따라 상상해보자 엑스물로 채워진 작은 구체가 있습니다 (그림 3). 자기장이 의존하지 않는 경우 엑스,그런 다음 단일 신호가 나타납니다(그림 3 참조). ㅏ). 추가 코일을 통해 (주축을 생성하는 코일과 관련하여) 지,자기장) 축을 따라 변화하는 추가 자기장을 생성합니다. 엑스,자기장 비 0이며 그 값은 왼쪽에서 오른쪽으로 증가합니다. 좌표가 다른 구의 경우 NMR 신호는 이제 서로 다른 주파수에 해당하고 측정된 스펙트럼에는 5개의 특징적인 피크가 포함됩니다(그림 3 참조). 비). 이러한 피크의 높이는 해당 좌표를 갖는 구(즉, 물의 질량)의 수에 비례하므로 고려 중인 경우 피크 강도는 3:1:3:1 비율이 됩니다. 1. 자기장 기울기의 크기(즉, 축을 따른 자기장의 변화율)를 아는 것 엑스), 측정된 주파수 스펙트럼을 좌표에 대한 수소 원자 밀도의 의존성으로 나타낼 수 있습니다. 엑스. 이 경우 피크가 높을수록 수소 원자의 수가 더 많다고 말할 수 있습니다. 이 예에서 구의 위치에 해당하는 수소 원자의 수는 실제로 3:1:3으로 상관됩니다. 1:1.

이제 일정한 자기장에 놓이도록 합시다. 비 0 좀 더 복잡한 구성물로 채워진 작은 구체를 만들고 세 좌표축 모두를 따라 변하는 추가 자기장을 부과합니다. 무선 주파수 NMR 스펙트럼을 측정하고 좌표를 따라 자기장 기울기의 크기를 알면 연구 중인 구성에서 구 분포(결과적으로 수소 밀도)에 대한 3차원 지도를 만드는 것이 가능합니다. 이는 위에서 논의한 1차원 사례보다 수행하기가 훨씬 어렵지만 이 프로세스에 포함되는 내용은 직관적으로 분명합니다.

우리가 설명한 것과 유사한 이미지 복원 기술이 NMR 단층 촬영에서 수행됩니다. 데이터 축적이 끝나면 컴퓨터는 매우 빠른 알고리즘을 통해 신호를 "처리"하기 시작하고 특정 주파수에서 측정된 신호의 강도와 신체의 특정 지점에서 공진하는 원자의 밀도 사이의 관계를 설정합니다. 이 절차가 끝나면 컴퓨터는 특정 기관이나 환자 신체 부위의 2차원(또는 3차원) "이미지"를 화면에 시각화합니다.

눈에 띄는 "이미지"

인간 내부 장기(예를 들어 오늘날 의학 물리학자가 두개골을 건드리지 않고도 얻을 수 있는 뇌의 다양한 부분)에 대한 NMR 연구 결과를 충분히 이해하려면 먼저 우리가 이야기하고 있는 것을 이해해야 합니다. X선 이미지를 얻는 과정에서 X선이 흡수될 때 감광성 필름에 나타나는 실제 그림자가 아닌 "이미지"의 컴퓨터 재구성입니다.

인간의 눈은 가시 범위의 전자기 방사선에 민감한 센서입니다. 다행히도 불행하게도 내부 장기에서 발생하는 방사선은 우리 눈에 도달하지 않습니다. 우리는 인체를 외부에서만 볼 수 있습니다. 동시에 방금 논의한 것처럼 특정 조건에서 인체 내부 장기의 원자핵은 무선 주파수 범위(즉, 가시광선보다 훨씬 낮은 주파수)의 전자기파를 방출할 수 있으며 주파수는 다양합니다. 방사점에 따라 약간씩 다릅니다. 눈으로 볼 수 없기 때문에 이러한 방사선은 복잡한 장비를 사용하여 기록된 후 특수한 컴퓨터 처리를 통해 단일 이미지로 수집됩니다. 그러나 우리는 사물이나 인체 내부에 대한 완전히 실제적인 비전에 대해 이야기하고 있습니다.

인류는 자기 모멘트 이론을 갖춘 양자 역학, 물질과 방사선의 상호 작용 이론, 디지털 전자 장치, 신호 변환을 위한 수학적 알고리즘, 컴퓨터 기술 등 과학적 사고의 여러 가지 근본적인 성과 덕분에 놀라운 성공을 거두었습니다.

다른 진단 방법에 비해 NMR 영상의 장점은 다양하고 중요합니다. 시술자는 환자 신체의 어느 부분을 스캔할지 쉽게 선택할 수 있으며, 선택한 기관의 여러 부분을 동시에 검사할 수도 있습니다. 특히, 자기장 기울기를 적절하게 선택하면 두개골 내부의 수직 단면 영상을 얻을 수 있습니다. 이는 중앙 섹션일 수도 있고 오른쪽이나 왼쪽으로 오프셋된 섹션일 수도 있습니다. (이러한 연구는 X-선 방사선 촬영에서는 사실상 불가능합니다.) 작업자는 선택된 한 기관 또는 그 중 한 부분에서만 발생하는 NMR 신호를 시각화하여 시야를 "좁힐" 수 있으며 이를 통해 이미지의 해상도를 높일 수 있습니다. NMR 영상의 중요한 장점은 인체 내부의 혈액, 림프 및 기타 체액의 흐름 방향과 국소 점도를 직접 측정할 수 있다는 것입니다. 각 병리학에 대해 관련 매개변수(예: 펄스 지속 시간 및 빈도) 사이에 필요한 비율을 선택함으로써 작업자는 결과 이미지의 최적 특성을 얻을 수 있습니다(예: 대비 증가).

요약하자면, 연구 중인 물체의 작은 부피에 해당하는 각 이미지 포인트(픽셀)에 대해 서로 다른 이미지 포인트(픽셀)를 추출하는 것이 가능하다고 말할 수 있습니다. 유용한 정보, 어떤 경우에는 신체의 특정 화학 원소 농도 분포를 포함합니다. 측정의 감도를 높이려면, 즉 신호 강도 대 잡음의 비율을 높이려면 많은 수의 신호를 누적하고 합산해야 합니다. 이 경우 현실을 적절하게 전달하는 고품질의 이미지를 얻을 수 있습니다. 그렇기 때문에 NMR 단층 촬영에 필요한 시간이 상당히 길어집니다. 환자는 수십 분 동안 챔버에서 상대적으로 움직이지 않은 상태를 유지해야 합니다.

1977년 영국의 물리학자 피터 맨스필드(Peter Mansfield)는 특히 좋은 이미지 품질을 제공하지는 않지만 그럼에도 불구하고 매우 빠르게 이미지를 얻을 수 있는 자기장 변화도 조합을 생각해 냈습니다. 적절한 구성에는 단일 신호로 충분합니다(실제로는 이 약 50밀리초 정도 소요됩니다.) 이러한 기술(평면 에코라고 함)의 도움으로 오늘날 심장 박동을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 이러한 영화에서는 수축과 확장이 화면에서 번갈아 나타납니다.

양자역학의 탄생 초기에 백년 후 과학의 발전이 그러한 기적의 가능성을 가져올 것이라고 상상할 수 있었습니까?

2003년에 폴 라우터버(Paul Lauterbur)와 피터 맨스필드(Peter Mansfield)가 “자기공명영상(MRI) 발명”으로 노벨 의학상을 수상했다는 점에 유의해야 합니다.