Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

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.

Варьируя различные параметры, например длину и частоту импульсов или время, в течение которого накапливается ядерный отклик, оператор может изменять характер отклонений ядерных магнитных моментов и, таким образом, в поисках аномалий увеличивать контрастность изображения. Выбирая соответствующие радиочастотные катушки, можно детализировать разрешение изображения вплоть до столь малых объемов, как 2 мкм в плоскости и 200 мкм в глубину. При подходящем разрешении можно получить и информацию о концентрациях содержания в организме различных химических веществ.

Чтобы получить пригодное изображение, нужно успешно преодолеть сложнейшие проблемы, связанные с чувствительностью прибора, то есть отношением сигнал/шум. Для этого собирают воедино множество FID-сигналов или сигналов спинового эха. Для этого необходимо довольно длительное время: обычно оно составляет порядка десяти минут.

В 1977 году английский физик Питер Мэнсфилд (в 2003 году получил Нобелевскую премию совместно с Лотербуром) разработал специальную комбинацию градиентов поля. Она не дает никаких специфических изображений, ее главное качество – необыкновенная скорость. Начиная с одного FID-сигнала она обеспечивает изображение примерно за 590 миллисекунд! Сегодня при помощи этой техники (так называемого плоского эха) можно визуализировать даже сердцебиение.

Наконец, упомянем функциональные методы МРТ, которые открывают путь к глубокому пониманию наших когнитивных процессов. С их помощью можно обнаружить активные области мозга (активность связана с изменениями кровотока).

Могли ли врачи древности предположить, что когда-нибудь появится возможность проникнуть в самые сокровенные глубины человеческого тела и сознания?

Сегодня сенсорные планшеты, цифровые плееры, мобильные телефоны и ноутбуки становятся все более мощными, функциональными и миниатюрными. Лежащие в их основе технологии базируются на использовании полупроводниковых материалов, которые заставляют электроны подчиняться движениям наши пальцев…

Поговорим о законах, управляющих наномиром.