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. Ну и на последок фотография МРТ без обшивки - устройство действительно не простое)

Спасибо за ваше внимание!)

Информация взята из: 1 (от сюда почти все картинки и многие сравнения), 2, 3.

ЗЫ. За ошибки просьба не пинать слишком сильно) БМ не ругался. Опять повторяюсь - сюда просто копирую посты со своего канала в телеграме.