01
Тунель, що слухає ваше тіло
Перед вами апарат МРТ. МРТ означає «магнітно-резонансна томографія». Магніт апарата створює поле силою 1,5 тесла. У теслах вимірюють, наскільки сильне магнітне поле. Ви лягаєте на стіл, і він засуває вас у тунель завширшки близько 70 см. Довжина апарата довкола тунелю приблизно від 1,6 до 1,9 м, а вага від 3 до 6 тонн.
Для знімка мозку вашу голову охоплює котушка для голови, схожа на клітку. Це антена, у якій від 20 до 64 маленьких приймачів. Вони ловлять слабке радіовідлуння з вашого тіла. Кімнату зсередини оббито мідними листами, тож сторонні радіохвилі не можуть заглушити це відлуння. Рентгенівського проміння тут немає. Радіохвилі апарата несуть приблизно в 50 мільйонів разів менше енергії, ніж треба, щоб вибити електрон з атома.
Під білим кожухом частини апарата вкладені одна в одну, як кільця. Ззовні всередину йдуть магніт у холодній оболонці, три градієнтні котушки й котушка для тіла, тобто радіоантена. Увімкніть розріз (C), і в магніті відкриється виріз, крізь який їх видно. У наступних розділах ми розберемо їх по черзі.
Модель показує одне повторення. Це короткий цикл, який апарат проходить знову й знову, щоб зібрати одне зображення. Тут одне повторення триває від 0,5 до 2,5 с реального часу, а радіоімпульси в ньому займають лише мілісекунди. Тому шкала часу не зберігає справжніх пропорцій. Кілька мілісекунд імпульсів і відлуння займають приблизно дві третини шкали, а довгу паузу стиснуто в останню третину. Шкала часу показує, який крок зараз триває, а в поточних показниках видно справжній час. Повне обстеження голови з багатьма знімками триває приблизно від 30 до 45 хвилин.
- Основне поле
- 1.5 T, always on
- Ширина тунелю
- 70 cm across
02
Магніт, що ніколи не вимикається
Найбільша частина апарата, основний магніт, складається з ніобій-титанового дроту завдовжки приблизно від 30 до 40 км, намотаного в котушки. Якщо цей дріт достатньо охолодити, він стає надпровідним. Це означає, що струм тече ним зовсім без опору. Струм у кілька сотень амперів біжить по колу в замкненому контурі. Щойно контур замкнули, на підтримку поля вже не потрібна енергія. За рік поле слабшає менш ніж на десяту частку відсотка.
Щоб котушки лишалися надпровідними, вони лежать у рідкому гелії за температури 4,2 кельвіна (К), тобто близько −269 °C. Температуру в кельвінах відлічують від абсолютного нуля, холоднішого за який нічого не буває. Тож гелій лише приблизно на 1,5 К тепліший за глибокий космос. У класичному магніті близько 1 500 літрів гелію, а новим герметичним магнітам вистачає 7 літрів або й менше. Резервуар із гелієм оточують тепловий екран і вакуум. Вони не пускають тепло всередину, як термос. У вирізі видно ці шари. Невеликий холодильник згори, холодна головка, знову перетворює на рідину гелій, що випарувався. Вона працює цілодобово й споживає приблизно від 6 до 7 кВт.
Поле в десятки тисяч разів сильніше за земне. Точне число залежить від того, де ви, бо поле Землі в різних місцях різне. Оберіть 3 Тл, щоб порівняти з потужнішим магнітом. Силові лінії довкола магніту показують форму його поля. Додаткові екранувальні котушки зовні ведуть струм у зворотний бік і втягують назад поле, яке витікає за межі магніту. І все ж поле лишається сильнішим за 0,5 мТл, тобто половину тисячної частки тесла, приблизно до 4 м уздовж тунелю. Усередині цієї зони кардіостимулятор може перестати безпечно працювати. Межу зони позначає пунктирне кільце на підлозі.
Магніт ніколи не вимикається, тому світлове табло біля дверей попереджає, що він завжди увімкнений. Будь-яка річ із залізом може полетіти в тунель. Так уже гинули люди, коли туди залітав кисневий балон. Ось чому персонал біля дверей перевіряє всіх і все. Якщо дріт десь нагріється, він перестане бути надпровідним, і струм перетвориться на тепло. Таку подію називають квенчем. Поле падає до нуля за кілька секунд, від 2 до 5. Гелій, що википає, з ревом виривається з будівлі через трубу квенчу.
- Порівняно з полем Землі
- 23,000 to 60,000 times stronger
- Рідкий гелій
- 4.2 K, −269 °C
- Межа безпеки 0,5 мТл
- 4 m along the tunnel, 2.5 m to the side
03
Водень нахиляється й кружляє
Водень становить приблизно шість із десяти атомів у вашому тілі, здебільшого у воді й жирі. Серцевина атома водню, його ядро, складається лише з одного протона. Воно поводиться як крихітний магніт. МРТ слухає саме водень, бо він є всюди й дає найсильніший сигнал.
У полі кожен такий крихітний магніт не просто дивиться вздовж нього. Натомість він прецесує: кружляє довкола напрямку поля, як нахилена дзиґа. У полі 1,5 Тл він робить приблизно 64 мільйони обертів за секунду, тобто 63,9 мегагерца (МГц). Цю частоту кружляння називають частотою Лармора. Вона зростає разом із полем і в полі 3 Тл сягає 127,7 МГц. Обидві частоти близькі до FM-радіо: одна трохи нижча за його діапазон, друга трохи вища.
Ядра не вишиковуються всі в один бік. Тепло тіла штовхає їх туди-сюди, тож вони дивляться майже в усі боки. З кожного мільйона ядер уздовж поля нахиляється лише приблизно на 5 більше, ніж проти нього. Проте навіть цей малий надлишок дає близько 3,3 × 10¹⁴ ядер в одному кубічному міліметрі води. Разом вони утворюють крихітний сумарний магніт. Саме з цією стрілкою й працює апарат.
Стрілки у вставці намальовано й дуже збільшено. Вони не показують справжньої точки в голові, а нахил на них набагато сильніший, ніж насправді, щоб його було видно. Натисніть кнопку відтворення, і стрілки закружляють. Малюнок дуже сильно сповільнено, а в показниках видно, у скільки разів. Це число залежить від швидкості відтворення. Перемкніть на 3 Тл: справжня частота й надлишок подвояться, а малюнок кружлятиме так само, тож і сповільнення подвоїться.
- Частота Лармора
- 63.9 MHz, just below FM radio
- Надлишок ядер уздовж поля
- about 5 in a million
- Надлишок в 1 мм³ води
- about 3.3 × 10¹⁴
- Малюнок сповільнено
- about 128 million times
04
Радіоімпульс і його відлуння
Щоб сумарний магніт заговорив, апарат посилає короткий радіоімпульс точно на частоті Лармора. Коли імпульс отак потрапляє в такт кружлянню, це називають резонансом. Так само ви розгойдуєте дитину на гойдалці, коли підштовхуєте її саме вчасно. Імпульс посилає котушка для тіла, клітка з мідних перекладин одразу за стінкою тунелю. Він триває щонайбільше кілька мілісекунд.
Імпульс 90° нахиляє сумарний магніт, доки той не ляже набік. Лежачи так, він і далі кружляє. Щоразу, коли він проходить повз котушку для голови, у ній виникає крихітна напруга, яку вимірюють у мікровольтах. Ця напруга і є сигналом. Посуньте повзунок кута нахилу: сигнал дає лише поперечна частина, а частина вздовж поля не дає жодного.
Крихітні магніти ядер швидко збиваються з такту, бо деякі кружляють трохи швидше за інші. Сигнал згасає. На півдорозі до відлуння імпульс 180° перевертає їх. Тепер швидкі опиняються позаду й наздоганяють решту. Магніти знову входять у такт і дають відлуння. Час від імпульсу 90° до відлуння називають часом відлуння. Натискайте кнопки нижче, щоб зупинити модель у кожну з цих митей.
Яскравість кожної тканини визначають два «годинники». T1 показує, за скільки часу сумарний магніт відновлюється вздовж поля приблизно на 63 %. T2 показує, за скільки часу поперечний сигнал згасає приблизно до 37 %. Імпульс 180° усуває лише ті відмінності, що лишаються незмінними. Випадкові поштовхи між сусідніми ядрами нікуди не зникають, тож відлуння трохи слабшає. Саме цю втрату й описує T2. Жир відновлюється швидко, а ліквор, тобто мозкова рідина, повільно. Оберіть тканину, щоб порівняти. Значення для кожної тканини приблизні: їх підібрано для цієї моделі. Імпульси ще й трохи вас нагрівають, тому апарат тримає це нагрівання в безпечних межах.
- T1, відновлення
- 884 ms
- T2, згасання
- 72 ms
05
Котушки, що розрізняють місця
Поки що кожна точка голови відповідає на одній і тій самій частоті, тож із відлуння не зрозуміти, звідки воно прийшло. Це виправляють ще три котушки всередині магніту: градієнтні котушки x, y і z. Градієнтом називають поле, що рівномірно змінюється від одного боку до іншого. Кожна котушка трохи посилює основне поле з одного боку від центру й трохи послаблює з іншого.
Зміна невелика: до 45 мТл на метр. На краю голови це дає приблизно 5,4 мТл, тобто третину відсотка від поля 1,5 Тл. Проте цього досить, щоб кожне місце отримало власну частоту. Котушки вмикаються приблизно за 0,2 мс.
У кожної котушки своя робота. Котушка z разом із радіоімпульсом будить лише один тонкий зріз. Це вибір зрізу. Котушка y у кожному повторенні по-новому закручує ядра згори донизу. Це називають фазовим кодуванням. Котушка x працює, поки надходить відлуння, тож за частотою можна відрізнити лівий бік від правого. Це частотне кодування. Оберіть котушку, щоб побачити її поле, або стежте за скануванням.
Коли в сильному магніті перемикаються великі струми, котушки смикаються, наче динамік. Звідси той гучний стукіт, який ви чуєте під час сканування. Він може перевищувати 100 децибелів. Це гучно, як відбійний молоток, а то й гучніше. Тому вам завжди дають затички для вух або навушники.
- Зміна на краю голови
- 5.4 mT
- Частка основного поля
- 0.36 %
- Зсув частоти на краю голови
- 230 kHz
- Час увімкнення
- 0.225 ms
- Роль у цьому скануванні
- Changes with each step
06
Як відлуння стає зображенням
Кожне відлуння зберігається як один рядок k-простору. Це сітка, що впорядковує відлуння не за місцем, а за частотою й закручуванням. Одне повторення заповнює один рядок. Наступне змінює закручування й заповнює інший. У цій моделі зображення має розмір 64 × 64, тож потрібно 64 повторення. Справжні знімки голови часто мають 256 рядків. Тут рядки заповнюються від середини до країв, тож розмите зображення з’являється рано.
Обчислення, яке називають перетворенням Фур’є, збирає з цієї сітки зображення. Воно з’ясовує, яка суміш смуг, широких і тонких, складається в картинку. У середині k-простору зберігаються широкі смуги, тобто загальне світло й тінь. На краях лежать дрібні деталі. Зображення з’являється на моніторі на стіні, поруч із вікном до пультової. Оберіть 8, 16, 32 або 64 рядки: сканування призупиниться, і ви побачите, як зображення стає чіткішим.
Які тканини будуть яскравими, вирішує розклад імпульсів. T1-зважене сканування повторюється кожні 500 мс і слухає рано, через 15 мс. Кожне повторення закінчується, перш ніж повільні тканини відновляться, тож жир яскравий, а ліквор темний. T2-зважене сканування чекає 2 500 мс і слухає через 100 мс. Тепер сяє рідина, сигнал якої згасає повільно, а сіра речовина здається світлішою за білу. У показниках видно, наскільки яскрава кожна тканина, а найяскравіша має 100 %. Голову тут намальовано простими овалами, це не справжній знімок. У цій моделі в кожній тканині однаково водню, а кістки й повітря лишаються чорними.
Якщо зчитувати один рядок за повторення, 256 рядків займуть приблизно 2,1 хвилини для T1-сканування й 10,7 хвилини для T2. Більшість сучасних знімків мозку роблять методом турбо спін-ехо: він зчитує від 4 до 32 рядків за одне повторення. Якщо зчитувати по 16 рядків, T2-сканування триває близько 40 секунд. Ця модель знімає один зріз, а справжнє сканування голови охоплює багато зрізів. Пол Лаутербур опублікував перше МР-зображення 1973 року. У 2003 році він разом із Пітером Менсфілдом отримав за це Нобелівську премію.
- Жир
- 0 %
- Біла речовина
- 0 %
- Сіра речовина
- 0 %
- Ліквор
- 0 %
- Один рядок за повторення
- 10.7 min for 256 lines
- Турбо спін-ехо, 16 рядків за повторення
- about 40 s