Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В МРТ применяется этот же принцип, только в трех измерениях! Однако в пространстве все оказывается куда сложнее нашей одномерной модели. Для визуализации распределения плотности водорода требуются мощные компьютеры, управляющие радиочастотными полями. Для усовершенствования конструкции профиля магнитного поля и выработки методик обработки полученных ЯМР-сигналов потребовались годы исследований. Весьма упрощенно можно сказать, что компьютерная обработка позволяет отображать распределение водорода в пространстве: интенсивность сигнала, испускаемого определенной областью пространства, пропорциональна количеству атомов водорода в этой области, что и позволяет получить информацию о локальной плотности ткани. Посредством применения методов томографии тело пациента «разрезают» по «сечениям» таким образом, чтобы получить трехмерную картину того или иного внутреннего органа (илл. 11).

11. Томография головного мозга. Томография – это трехмерное обобщение примера, рассмотренного на илл. 10. Она позволяет получить тот же результат, как если бы объект (здесь – мозг) был рассечен слоями, однако бескровно, безболезненно и без повреждения тканей!

Спиновое эхо

Исследуемые материалы обычно содержат неоднородности. Из этого следует, что частота прецессии для разных ядер различна, поэтому FID-сигнал после подачи импульса со временем все больше и больше искажается. Такое искажение возможно исправить с помощью специальной техники, называемой «спиновым эхом». Суть ее заключается в следующем. Созданный в начальный момент времени радиочастотный импульс длительностью t₁ заставляет магнитные моменты выстроиться перпендикулярно внешнему магнитному полю B^→. По истечении времени t_D (в течение которого произошло определенное изменение FID) подается второй импульс, удвоенной длительности 2t₁. Этот импульс обращает магнитные моменты в противоположную сторону (так как два поворота на 90° эквивалентны инверсии направления). Магнитные моменты, которые на протяжении временного интервала t_D вращались более быстро и потому были впереди, теперь запаздывают. Однако поскольку они продолжают вращаться быстрее, то вскоре нагоняют запоздание. Поэтому в течение следующего интервала времени t_D все магнитные моменты выравниваются. Таким образом, сигнал, который был изменен, подобно эху, восстанавливается в своей первоначальной форме.

Поразительные снимки

Чтобы оценить МРТ по достоинству, следует понимать, что она позволяет получить реальные изображения внутренних органов человека а не их «тени», как на изображениях, получаемых с помощью рентгеновских лучей (действительно, приемник собирает рентгеновские лучи после прохождения сквозь тело, где они в большей или меньшей степени поглощаются костями и тканями).

Человеческий глаз чувствителен к электромагнитным волнам видимой области (см. главу 3, «Цветовое зрение»). К сожалению (или к счастью), глаза не способны воспринять излучение внутренних органов наших тел: мы видим только внешнюю оболочку. В условиях ЯМР ядра излучают электромагнитные волны в диапазоне радиочастот (на частотах куда меньших, чем видимый свет). Поэтому такие волны, пройдя сквозь тело, доходят до измерительного прибора, который в сочетании с высокопроизводительным компьютером превращает полученные сигналы в видимое изображение, уже доступное нашему зрению.

Физики и математики во многом поспособствовали этому удивительному достижению медицины благодаря пониманию квантово-механических свойств ядерных магнитных моментов, теории взаимодействия вещества и излучения, а также созданию цифровой электроники и принципов математической обработки сигналов.

Преимущества МРТ по сравнению с другими методами диагностики многочисленны и значительны. Оператор легко визуализирует необходимое для анализа сечение тела пациента; он также может регистрировать сигналы из нескольких сечений одновременно. В частности, при необходимой настройке градиентов магнитного поля изображение можно получить под желаемым углом, что затруднительно для рентгеноскопии. К тому же исследователь имеет возможность ограничить поле наблюдения, тем самым визуализируя конкретный орган (или его часть) с большим разрешением.

Дополнительным достоинством МРТ является также и возможность измерения вязкости жидкости непосредственно в месте исследования. Для этого используется спиновое эхо – сигнал, на который влияет скорость, с которой ядра перемещаются в градиенте поля. В результате становится возможным измерять скорость течения крови или других жидкостей в организме.