Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это метод отображения внутренней структуры материальных объектов, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и используемый преимущественно для медицинских исследований. Принцип МРТ основан на  ядерно-магнитном резонировании (ЯМР), методе спектроскопии, используемом  для получения данных о химических и физических свойствах молекул в связи, с чем данный метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом "ядерный" в конце 1970-х годов.

         В 1946 году две независимые группы американских физиков Felix Bloch (Станфордский университет)  и Edvard M. Purcell (Гарвардский университет) наблюдали ЯМР в твердых телах и впервые получили сигналы ядерного магнитного резонанса, продемонстри­ровав явление ЯМР в блочных материалах, за что оба в 1952 . были удо­стоены Нобелевской премии по физике. В 1949 г. Norman F.Ramsey сформулировал теорию химического сдвига. Атомные ядра можно идентифицировать по малому изменению резонанс­ной частоты, зависящему от электронного окружения молекулы, и таким образом молекулярная система может быть описана ее спектром поглощения. Это стало зарождением магнитно-резонансной спектроскопии. Чувст­вительность эксперимента была низка: каждая резонансная частота (для каждого вида ядер) возбуждалась отдельно. [13].

В период с 1950 по 1970 годы, метод ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа. В 1972 году была представлена компьютерная томография (КТ), основанная на рентгеновском излучении. Эта дата была важной вехой в истории МРТ, так как она показала, что больницы были готовы  тратить большие суммы денег на визуализирующую медицинскую технику. В 1973 году химик Paul C.Lauterbur (Государственный университет Нью-Йорка) сформулировал принципы ЯМР-отображения, предложив ис­пользовать переменные градиенты магнитно о поля для получения двух­мерного МР-изображения [16]. Сдвиг резонансной частоты, возникающий из-за наложения градиентов магнитных полей в трех плоскостях (Gх, Gу и Gz), может использоваться для создания картины двухмерного пространст­венно о распределения протонов. В своем, ставшем классическим, экспери­менте, Paul C.Lauterbur применил переменные градиенты магнитного поля для то­го, чтобы зафиксировать и разделить сигналы от двух малых образцов воды, находящихся в пробирках диаметром 1 мм [23]. Таким образом, было полу­чено первое двухмерное ЯМР-изображение (рис. 24), при этом было затра­чено 4 часа 45 мин. При этом он предсказал потенциальное использование этого метода для отображения мягких тканей и злокачественных опухолей.

В 1975 году Richard Ernst (Цюрих, Швейцария) предложил магнитно-резонансную томографию с использованием фазового и частотного кодирования и Фурье-преобразование, метод, который используется в МРТ в настоящее время. В период с 1980-х  по настоящее время продолжается развитие ЯМР-методов и оборудования.  Сегодня МРТ используется не только в медицине для создания анатомических изо­бражений с пространственным разрешением менее 1 мм, изучения потоков крови, перфузии, диффузии, функций органов, но и в химии, физике, биологии, технике и связанных с ними областях.

В связи с тем, что магнитный резонанс является методом томографического отображения, служащим для получения послойных ЯМР-изображений человеческого тела, то каждый срез имеет толщину (Thk).

В результате чего получается изображения, похожее на удаление всего, что находится над срезом и под ним. Срез состоит из объема или вокселов (volume element), а также отдельных элементов плоскости называемых пикселами (picture element).  Интенсивность пиксела пропорциональна интенсивности ЯМР-сигнала состоящей из соответствующих элементов вокселов отображаемого объекта. Объем каждого воксела составляет, примерно, 3 мм³.

Получение МРТ изображения основываются на пространственных вариациях фазы и частоты радиочастотной энергии, поглощенной и испущенной исследуемым объектом. Как известно в основном человеческое тело состоит из  воды и жира. Вода и жир состоят из большого количества атомов водорода, при этом тело человека состоит приблизительно из 63% атомов водорода. Ядро атома водорода испускает ЯМР сигнал, тем самым изображение, получаемое в результате МРТ это отображение ЯМР - сигнал от ядер водорода.

По типу источника основного магнитно о поля МР-томографы разделя­ют на постоянные, резистивные, сверхпроводящие и гибридные системы.

В томографе на постоянном магните поле создается между двумя полю­сами магнита, изготовленного из ферромагнитных материалов. Такой томограф не требует дополнительной электроэнергии или охлаждения. Вес таких систем накладывает ограничения на величину индукции создаваемо о поля, которая не превышает 0,35 Тл. Недостатками постоянных томографов яв­ляются высокая стоимость непосредственно самого магнита и поддержи­вающих структур и наличие проблемы однородности магнитно о поля.

В резистивных магнитах поле создается пропусканием сильного электрического тока по проводу, намотанному на железный сердечник, и на­правлено параллельно продольной оси катушки. Величина индукции поля таких МРТ ограничена примерно 0,6 Тл, так как их вес и потребляемая мощность становятся слишком большими для сильных полей. Томографы этого вида нуждаются в хорошей системе охлаждения и в постоянном элек­тропитании для поддержания однородности магнитного поля.

В гибридных системах для создания магнитно о поля используются и проводящие ток катушки и постоянно намагниченный материал.

Поля свыше 0,5 Тл обычно создаются сверхпроводящими магнитами, которые очень надежны и дают высокооднородные и стабильные во време­ни поля. В таком магните горизонтально направленное поле создается то­ком, протекающем по проводу из сверхпроводящего материала, не имеющего электрического сопротивления при температурах вблизи абсолютно о нуля (-273,15°С). Совершенный сверхпроводник может пропускать элек­трический ток без потерь. В сверхпроводящих магнитах создающая поле ка­тушка помещается большой в дьюар, заполненный криогенным веществом, охлаждающим провод до температуры около 4,2 К. В первых моделях маг­нита этот дьюар окружался дьюаром с жидким азотом (77,4К), который действовал как тепловой буфер между температурой комнаты и внутренним дьюаром.

В качестве криогена чаще используется жидкий гелий (греч. Helios -солнце), открытый в 1868 г. когда Pierre Janssen и Josef Lockyer  обнаружили новую линию в солнечном спектре во время солнечно о затмения. Гелий относится к инертным азам, без цвета и запаха, и имеет 2 естественных изотопа: 3Не и 4Не. Hike Onnes  работал много лет, чтобы сжижить гелий, который оставался азом при самой низкой температуре. Все криогенные жидкости являются азами при нормальной температуре и давлении и име­ют два общих свойства: они чрезвычайно холодные, и малое количество жидкости может расшириться до большого объема газа. Плотность пара гелия в точке кипения очень высока, и при нагреве до комнатной температуры гелий быстро расширяется.

Некоторые металлы (Nb, Тс, РЬ, Lа, V, Та) становятся сверхпроводника­ми при температуре абсолютно о нуля. Обычно в МРТ используется провод из ниобий-титанового сплава длиной в несколько километров, вложенный в медную матрицу для защиты сверхпроводника от квинча. Квинчем называ­ется неожиданная потеря сверхпроводимости в сверхпроводящем томогра­фе, вызванная быстрым повышением удельного сопротивления ма нита, что создает повышение температуры и приводит к быстрому выкипанию крио-ена (жидкого гелия). Точки кипения криогенов обычно ниже -150°С. Квинч может вызвать разряжение атмосферы в процедурной комнате, создавая от­сутствие кислорода, а также полный отказ магнита.

В зависимости от напряженности основного магнитно о поля МР-томографы классифицируются на:

сверхнизкие (менее 0,1 Тл);

низкопольные (0,1-0,4 Тл);

среднепольные (0,5 Тл);

высокопольные (1-2 Тл);

сверхвысокопольные (свыше 2 Тл).

Низкопольные МРТ обычно имеют резистивные или постоянные магниты. Их преимущество заключается в меньшем количестве противопоказаний для пациентов и персонала. Иногда низкопольные системы имеют специализированную область применения, например только для исследований ко­нечностей, или используются как открытые томографы. Недостаток таких систем - низкое соотношение сигнал/шум и большое время сканирования, необходимое для получения изображения хорошего качества.

Оптимальная индукция поля для клинического отображения лежит в диапазоне от 0,5 до 2,0 Тл, так как высокие поля дают лучшее соотношение сигнал/шум. В клинической практике верхний предел напряженности магнитного поля составляет 2 Тл. Свыше этого предела поля предполагаются потенциально опасными и могут допускаться для использования только в исследовательских лабораториях. Вопрос об оптимальной напряженности поля - предмет постоянной дискуссии специалистов.

Более 90% парка МР-томографов составляют модели со сверхпроводя­щими магнитами. В середине 80-х. фирмы-производители делали упор на выпуск моделей с полем 1,5 Тл и выше, но уже через несколько лет стало ясно, что в большинстве областей применения они не имеют существенных преимуществ перед моделями со средней индукцией поля. Поэтому сейчас основные производители МР-томографов уделяют особое внимание выпус­ку моделей со средним и низким полем, отличающихся компактностью и экономичностью при удовлетворительном качестве изображений и меньшей стоимости. Высокопольные системы используются преимущественно в на­учно-исследовательских центрах.

По виду конструкции МР-томографы бывают открытые      и

закрытые     

Первые МРТ-сканеры были сконструированы как длинные узкие туннели. Затем магниты укорачивались и расширялись, а потом появились и откры­тые системы. МРТ открытой конструкции имеют обычно горизонтальные или вертикальные противостоящие магниты и обеспечивают большее про­странство вокруг пациента. Кроме того, некоторые системы предлагают различные положения пациента и последовательность движения.

Открытые, низкопольные МРТ часто имеют широкий открытый дизайн, например, открытый С-сканер формирует поле двумя большими дискам, разделенными опорой. В последних моделях открытых МРТ объединены преимущества сильно о поля, новых технологий создания градиентных систем и широкой открытой конструкции. Возможны даже исследования пациентов в вертикальных положениях (11рп§Ъ1™, р0паг). Полуоткрытые высокопольные МРТ-сканеры имеют короткий туннель и расширяющиеся концы.

В 1998 . Комитет по продовольствию и лекарствам США произвел мар­кетинговые расчеты для сканеров с индукцией свыше 4 Тл, и в 2002 г. были одобрены некоторые 3Тл-сканеры для мозга или всего тела. Развитие высо-копольных МР-систем дает новые возможности для совершенствования ка­чества изображения, обеспечивает сокращение времени сканирования, уве­личение разрешения, проведение функциональных исследований.

Сегодня промышленность выпускает свыше 2000 МР-сканеров ежегод­но, причем около 40% мирового рынка их сбыта и производства приходится на США. Сейчас МР-томографы уже широко используются в небольших клиниках и больницах. 

         МР-томограф состоит из следующих основных блоков: магнита, градиентных, шиммирующих и РЧ-катушек, охлаждающей системы, систем приема, пе­редачи, обработки и хранения данных, системы экранирования .