トモグラフ。発明と生産の歴史

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トモグラフ。発明と生産の歴史

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磁気共鳴画像法 (MRI)、核磁気共鳴画像法 (NMRI)、または磁気共鳴画像法 (MRI) は、人間の内部構造や臓器を詳細に視覚化するために放射線医学で使用される主要な医療画像ツールです。断層撮影装置は体のさまざまな軟組織間に良好なコントラストを提供するため、X 線コンピュータ断層撮影 (CT) や X 線撮影などの他の医用画像診断手段と比較して、脳、筋肉、心臓、がんの診断に特に役立ちます。

CT スキャナーや従来の X 線装置とは異なり、MRI スキャナーは電離放射線を使用しません。代わりに、彼は強力な磁場を使用して体内の一部の原子の磁化を均一にし、次に高周波磁場を使用してその磁化の方向を系統的に変更します。これにより、スキャナーによって登録された回転磁場の出現が生じ、身体のスキャンされた領域の画像を構築できるようになります。

磁気共鳴イメージングスキャナは比較的新しい技術を使用しています。断層撮影による最初の画像は 1973 年に公開され、生きたマウスの最初の断面画像は 1974 年 1977 月に公開されました。最初の人体研究は 1895 年に発表されました。比較のために、最初の人間の X 線写真は XNUMX 年に撮影されました。

トモグラフ

近年登場した診断方法の中で、いわゆる内視鏡的方法、X 線コンピューター断層撮影、核磁気共鳴 (NMR) トモグラフィー、NMR 分光法、および陽電子放出断層撮影法 (PET) は特に有益であると、医学者。

疑わしい領域または臓器にレーザーパルスが照射されると、がん組織のスペクトル応答 (一種の光学的特徴) が正常組織のスペクトル応答と著しく異なります。コンピュータ断層撮影は、今日の XNUMX 次元イメージングの最もよく知られている例です。

非常に優れたX線管と超高感度フィルムを使用した従来の方法でも、ぼやけた非常に「ノイズの多い」画像が得られ、さらにXNUMX次元しかないため、それを正しく解釈することは別の科学です.

「コンピュータ技術のおかげで、診断方法は近年前例のない飛躍を遂げました。約 20 年前に X 線コンピュータ断層撮影装置が作成され、人間の脳の構造を研究することが可能になりました。頭蓋骨を開く. そして現在の機器は、例えば鼓動する心臓を直接観察できるような特性を持っています. したがって、従来の侵襲的診断 (「侵襲」は「浸透」を意味します) は徐々に過去のものになりつつあります. 、磁気共鳴イメージングスキャナーの助けを借りて、内臓の輪郭を「概説」する造影剤を導入しなくても、内臓の動作が見えます。

...その作用の原理は、XNUMXつの些細な事実に基づいています。まず、人体は主に水で構成されており、その分子はタンパク質や組織によって異なる他の構造と化学結合を形成します。第二に、水分子は双極子です。体内では、これらの双極子はもちろんランダムに方向付けられており、さらに回転しています。しかし、人が磁場（非常に強力ですが、健康に害を及ぼすほど強力ではない）に短時間置かれると、すべての水分子が力線の方向に「向き」を変えます。次に、特別な無線周波数が適用されます - それは双極子に追加のエネルギーを与え、磁場によって与えられた方向からある角度または別の方向に偏向させます。実際には、要点は、角度が異なり、そのサイズが臓器または組織の内部構造に依存し、特に重要なことに、病状の存在に依存するということです。

外部電波パルスは一瞬しか与えられませんが、十分です。その後、水分子は元の位置に戻り、磁場内で再び整列します。同時に、それらは余分なエネルギーを放出します - 特別なコイルがそれを記録します (それが非常に小さい場合でも!)。受信したデータはコンピューターに送信され、そこで処理されます...」

トモグラフィーは、従来の X 線法とは異なり、組織の物理的特性の特徴である数値データに基づいて、内臓の体積再構成を行います。例えば、ＭＲＩトモグラフでは、胎児の３次元画像を得ることができる。医師は細部を検査し、画像を任意の方法で変換できます。また、簡単に圧縮、アーカイブ、通信チャネルを介して送信してテレコンシリアに参加することもできます。

X 線断層撮影装置で検査する場合、患者は、画像を取得する必要がある体の部分が断層撮影装置のフレームの円形の穴内に収まるようにテーブルに横になります。フレームの上部には、通常、X 線源とコリメータがあります。コリメータは、発散する光線を細い指向性の流れに変換する装置です。フレームの下部には、フィルムを置き換えるかのように、X線検出器が並んでいます。必要に応じて、医師は事前に化学物質を患者の体内に導入することができます。これにより、研究中の臓器と周囲の組織との間の視覚的コントラストが改善されます。 X線源の電源を入れると、鉛筆のように細い線が体を通り抜け、検出器によって記録されたデータがコンピューターに送信されます。フレームが患者の周りを回転すると、このプロセスが何度も繰り返され、そのたびに、一連の異なる位置に対応する検出器からのデータがコンピューターによって処理されます。

トモグラフ
脳断層像

古典的な積分幾何学で知られているラドン変換に基づく数学的アルゴリズムのおかげで、検出器の一連の数値読み取り値が画面上の画像に変わります。核磁気共鳴トモグラフィー (NMR トモグラフ) は、通常、長い円筒形の磁石と巻線を含むチューブであり、送受信される無線周波数信号に対応して電流が励起されます。厳密に言えば、磁気共鳴は純粋に量子現象であり、その説明には標準的な量子力学の概念を使用する必要があります。

この現象の本質は、円筒形の磁石によって生成された強力な一定の磁場が、患者の体内の水素原子核のランダムな向きのスピンを一方向に沿って構築することです。これは、鉄粉が磁石の近くの目に見えない力線に沿って並ぶのと同じです。特別に励起されたプロービング無線周波数パルスが断層撮影装置のカメラ管を通過すると、パルスの磁場は弱いですが、それでもしばらくの間、整列したスピンを所定の方向からわずかにずらし、振動し始めます。彼らが言うように、歳差運動するには、永久磁石の強い磁場の方向を中心に、ゆっくりとこまを動かすようにします。

同時に、原子核は共鳴します。つまり、原子核は、感度の高い検出器で検出できる弱い無線信号も放出します。プロービング RF パルスがオフになると、スピンは秩序化された状態に戻り、核によって生成された信号は減衰します。

コンピューターによって処理された信号のこの減衰と他の特性の時間までに、組織の化学組成と生物学的特性を判断することができます。画面上の画像の各点について、研究中の臓器で共鳴する水素原子核 (陽子) からのデータが収集されて平均化され、得られた各値に独自の色が割り当てられます。その結果、異なるプロトン密度を持つ領域、したがって不均一な組織は異なる色でマークされます。

X 線検査とは異なり、NMR 法は完全に無害であり、さまざまな種類の組織間のコントラストがはるかに優れているため、健康な領域と病気の領域を簡単に区別できます。 NMRトモグラフィーは、中枢神経系および筋骨格系の病状の診断、および健康な組織の背景に対する腫瘍の認識に特にうまく使用されています。

しかし、NMR トモグラフィーは新たな地位を獲得しています。たとえば、MRI断層撮影法を使用して肺を診断するための有望な方法がドイツで開発されました。ハノーバーで開催された展示会「Expo-2000」で発表され、専門家やマスコミから高く評価されました。

肺疾患の診断のために、ドイツの医師は毎年XNUMX万のX線を撮影します。ただし、これらの画像は十分なコントラストがなく、X線は体に有害です。もう一つはMRI断層撮影です。

喘息や肺気腫などの呼吸不全を伴う多くの疾患では、肺組織のわずかな密度が原因で、NMR トモグラフでは十分に鮮明な画像が得られません。そして、酸素や窒素のような軽い物質の診断にとって重要なことは、まったく記録されません。そのため研究者は、造影剤として無害なガスを患者に吸入させることで、肺の画像を改善しようとしています。

偏極希ガスは特に有望です。テストでは、それらで肺を飽和させると、鮮明な画像が得られることが示されています。水素と比較して偏極不活性ガスのより良い磁化は、断層撮影の作業を容易にします。したがって、医師は喘息、嚢胞性線維症、その他の肺疾患を早期に診断できるだけでなく、治療の有効性をさらにチェックすることもできます。

ドイツでは、マインツ大学物理学研究所の Ernst Wilhelm Otten と Werner Geil が新しい方法の基礎を築きました。 Otten と Gail は、実験の造影剤としてヘリウム 3 を選択しました。彼らの意見では、キセノンは血液に吸収され、患者に麻薬作用があるため、ここではあまり適していません。

そこで、MRI スキャナーと造影剤として偏極ヘリウム 3 を使用して、Otten と Geil は、マインツのマンフレッドテレンの放射線科医とハイデルベルクのドイツ癌研究センターの専門家と共に、最終的に体内の空気分布の鮮明な画像を取得しました。肺。 XNUMX人のXNUMX歳の被験者を対象とした実験での新しい方法により、すでに古い肺気腫の兆候を確認することが可能になりました. そして、これは、その人が喫煙していたにもかかわらず、完全に健康であり、肺について不平を言うことはなかったという事実にもかかわらず.

別の例は、心臓カテーテルの代わりに梗塞を診断するための NMR スキャナーの使用です。

心電図、超音波、および放射性同位元素への放射線被ばくを使用した心臓の検査は、常に満足のいく結果につながるとは限りません。このような場合、血管を通して心臓に挿入される心臓カテーテルを使用して診断が示されることがよくあります。これは被験者の体にとって深刻な負担であり、多くの患者は、核磁気共鳴トモグラフによって心臓が「透けて見える」従来の方法よりも、人間に無害な新しい最も近代的な磁場を好みます。以前のモデルの NMR トモグラフは、測定期間が長すぎるため、鮮明な画像が得られませんでした (心臓は絶えず鼓動し、「長時間露光」画像はぼやけています)。最新のデバイス、改善されたハードウェアとソフトウェアにより、心拍間の心臓のかなり鮮明な写真を撮ることができます.

「精度は以前の非侵襲的方法よりも明らかに高くなりました。この技術を使用すると、心臓カテーテルによる検査の数を少なくとも 20% 減らすことができます。」そして楽観主義者によると - 半分。

包括的な診断機器として、MRI イメージャーは心臓と太い動脈を空間的に描写し、血液供給パラメーターを測定し、死んだ組織を認識します。穏やかなハイテク法は、心臓病の予防と治療の両方に適しています。

MRI トモグラフィーは、心臓病患者を不必要なストレスから救います。この方法を使用すると、血管の拡張または吻合部の手術が成功するかどうかを予測することができます。これは、シカゴのノースウェスタン大学の科学者による臨床研究で示されました。

新しい技術が多くの若い患者を危険な介入から守ることができることは非常に重要です. 被験者がさらされる強力な磁場は、少なくとも現代科学によれば、実質的に無害です。逆に、コンピューター断層撮影法や陽電子放出断層撮影法などの代替方法は、X線や放射性同位体など、体にとって安全ではない物質で機能します。

台湾の首都である台北では、心血管疾患の断層撮影による予防が一種のブームになっています。最近、特別な検査センターが開設されました。ここでは、NMR トモグラフを使用した心臓と血管の約 XNUMX 分の検査に XNUMX ドルかかります。また、ビデオグラスと心地よい音楽が患者のリラックスに役立ちます。

著者：Musskiy S.A.

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