Принцип МРТ (ЯМР) основаны на том факте, что ядра определенных элементов имеют магнитный момент. Это означает, что если образец атомов одного из этих элементов был помещен в магнитное поле, его ядра будут выстраиваться в линию вдоль магнитного поля. Но ядра не выстраиваются строго в направлении магнитного поля. Каждый тип ядра имеет ассоциируемое с ним качество, называемое магнитным моментом [3]. Идея внутреннего магнитного момента ядра - фундаментальная для МР изображения. Это может быть пояснено на примере вращения верха конуса. Когда он находится под углом к вертикали, он будет отклоняться от вертикальной оси (рис. 1а). Верх конуса будет вращаться вокруг своей собственной оси, а ось вращения верха будет поворачиваться вокруг вертикальной оси.
Рисунок 1 а) - Прецессия верха конуса вокруг вертикальной оси;
Рисунок 1 б) - Прецессия атомного ядра вокруг магнитного поля;
Рисунок 1 в) - Протон имеет две ориентации, в которых он может находиться в магнитном поле
Это - явление так называемой прецессии, при котором ось вращающегося объекта поворачивается под действием внешних влияний.
Наглядно наблюдать прецессию можно, например, если запустить волчок и подождать, пока он начнёт замедляться. Первоначально ось вращения волчка вертикальна. Затем его верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка. В случае МРТ прецессия возникает благодаря угловому моменту ядра, который называют спином (именно они позволяют генерировать изображения).
Спиновое квантовое число - квантовое число, определяющее величину спина квантовой системы (атома, иона, атомного ядра, молекулы), то есть её собственного (внутреннего) момента импульса.
В квантовой механике спин ядра представлен определенным значением. В зависимости от значения спинового числа, для каждого атомного ядра будет несколько разных ориентаций, в которых ядра могут выстраиваться в линию в магнитном поле. Каждая ориентация представлена разным углом направления магнитного поля, вокруг которого ядро будет осуществлять прецессию.
МРТ стала возможна благодаря тому факту, что ядро атома водорода (единственный протон) имеет магнитный момент. Спин протона таков, что протон имеет строго два возможных пути выстраиваться под действием приложенного магнитного поля (рис. в). Водород стал наилучшим агентом для использования в МР визуализации благодаря тому, что он широко присутствует в человеческом теле.
Частота, с которой ядро осуществляет прецессию - это функция как силы магнитного поля, так и собственно ядра. Данная частота, называемая Ларморовой частотой, пропорциональна силе магнитного поля и зависит от магнитных свойств ядра:
(1)
Уравнение Лармора описывает частоту, на которой ядро поглощает энергию.
Для проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность. Регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород 1Н, 2Н, углерод 13С, азот 14N, фтор 19F, натрий 23Na, фосфор 31Р. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода 1Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях. Ядро водорода (протон) имеет два важных свойства: электрический заряд и спин [4]. Магнитный момент пропорционален квантовому числу I (cпину). Спин ядра может иметь значения I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2,…до 7.
Ядро также 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. Если ядро с угловым моментом P и магнитным моментом помещено в статическое сильное магнитное поле B0, ориентация углового момента станет такой, как его составляющая Pz вдоль направления поля. На практике 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 (рис. 2).
Рисунок 2 - Распределение ядер при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего магнитного поля и прецессия магнитного момента (в)
Магнитные моменты индивидуальных спинов складываются, создавая суммарный вектор намагниченности, который представляет собой сумму магнитных моментов атомов. В перпендикулярной плоскости намагничивание будет отсутствовать, т.к. поперечные проекции всех моментов хаотично распределены и их суммарный вектор равен нулю [4]. При этом сами диполи не находятся в статическом положении, а постоянно вращаются по конусу вокруг направления поля B0 согласно Ларморовой частоте.
Для получения сигнала от ядер необходимо облучить объект, помещенный в постоянное магнитное поле, дополнительным радиочастотным (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 M0. Т.о. после РЧ импульса продольная составляющая намагниченности Mz возвращается в состояние M0, а поперечная намагниченность Mxy - в нулевое значение (рис. 3).
Рисунок 3 а) - формирование суммарного вектора;
Рисунок 3 б) - 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