断层扫描仪。发明和生产的历史

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断层扫描仪。发明和生产的历史

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磁共振成像 (MRI)、核磁共振成像 (NMRI) 或磁共振成像 (MRI) 是放射学中用于详细可视化人体内部结构和器官的主要医学成像工具。断层扫描可以在身体的各种软组织之间提供良好的对比度，与 X 射线计算机断层扫描 (CT) 或放射线照相等其他医学成像方式相比，它在大脑、肌肉、心脏和癌症诊断中特别有用。

与 CT 扫描仪或传统 X 射线机不同，MRI 扫描仪不使用电离辐射。相反，他使用强大的磁场来平衡体内某些原子的磁化强度，然后使用射频场系统地改变磁化强度的方向。这会导致扫描仪记录旋转磁场的出现，并允许您构建身体扫描区域的图像。

磁共振成像扫描仪使用相对较新的技术。第一张断层扫描图像于 1973 年发布，第一张活体小鼠的横截面图像于 1974 年 1977 月发布。第一份人体研究于 1895 年发表。为了进行比较，第一张人体 X 射线拍摄于 XNUMX 年。

断层扫描仪

在近年来出现的诊断方法中，所谓的内镜检查方法、X 射线计算机断层扫描、核磁共振 (NMR) 断层扫描和核磁共振波谱，以及正电子发射断层扫描 (PET) 的信息量特别大。医学科学家。

当用激光脉冲照射可疑区域或器官时，癌变组织的光谱响应（一种光学特征）与正常组织的光谱响应明显不同。计算机断层扫描是当今最著名的三维成像示例。

常规方法，即使使用非常好的 X 射线管和超灵敏胶片，也会给出模糊且非常“嘈杂”的图像，而且，只有二维，因此正确解释它是一门独立的科学。

“近年来，诊断方法取得了前所未有的飞跃，”Ternovoy 院士说，“多亏了计算机技术。大约 20 年前，X 射线计算机断层扫描仪问世，无需打开头骨。而现在的设备具有可以直接观察到的特性，例如跳动的心脏。因此，传统的侵入性诊断（“入侵”意味着“穿透”）正在逐渐成为过去。例如，在磁共振成像扫描仪的帮助下，即使没有引入“勾勒出其轮廓的造影剂”，也可以看到内部器官的作用。

...它的作用原理基于两个微不足道的事实：第一，人体主要由水组成，其分子与蛋白质和不同组织中不同的其他结构形成化学键；其次，水分子是偶极子。在体内，这些偶极子当然是随机定向的，而且还会旋转。但是，如果一个人被短暂地置于磁场中（非常强，但不会强到对健康造成危害），所有水分子都会“面向”他的力线方向。然后应用特殊的射频——它为偶极子提供额外的能量，并使它们从磁场给出的方向偏转一个或另一个角度。实际上，关键在于角度不同，它们的大小取决于器官或组织的内部结构，并且 - 这尤其重要 - 取决于病理的存在。

外部无线电脉冲仅提供片刻，但已足够。然后水分子回到原来的位置，在磁场中重新排列。同时，它们会释放多余的能量——特殊的线圈会记录下来（即使它非常小！）。接收到的数据被发送到计算机，在那里进行处理......”

与传统的 X 射线方法不同，断层扫描是基于作为组织物理特性特征的数值数据对内部器官的体积重建。例如，在 MRI 断层扫描仪上，可以获得胎儿的 XNUMXD 图像。医生可以检查最小的细节，以任何方式转换图像，还可以轻松地压缩、存档、通过通信渠道传输以参与远程协调等。

在 X 射线断层扫描仪上检查时，患者躺在桌子上，以便需要获取其图像的身体部位将位于断层扫描仪框架的圆形孔内。在框架的上部，通常有一个 X 射线源和一个准直器 - 一种将发散的射线束转换为细定向流的设备。框架的底部是一排 X 射线探测器，就像替换胶片一样。如有必要，医生可以预先将一种化学物质引入患者体内，从而改善所研究器官与周围组织之间的视觉对比度。当 X 射线源打开时，像铅笔一样细的射线穿过人体，探测器记录的数据被传输到计算机。当框架围绕病人旋转时，这个过程会重复很多次，每次来自探测器的数据，对应于一组不同的位置，都由计算机处理。

断层扫描仪
脑断层扫描

由于基于经典积分几何中已知的氡变换的数学算法，探测器的一组数值读数变成了屏幕上的图片。核磁共振断层扫描仪（NMR 断层扫描仪）通常是一个包含长圆柱形磁体和绕组的管，其中对应于发送和接收的射频信号激励电流。严格来说，磁共振是一种纯粹的量子现象，要对其进行解释，就需要使用标准的量子力学概念。

该现象的本质是由圆柱形磁铁产生的强恒定磁场沿单个方向在患者体内建立随机定向的氢原子核自旋，就像铁屑沿着磁铁附近的不可见磁场线排列一样。当一个特别激发的探测射频脉冲通过断层扫描仪的摄像管时，脉冲的磁场虽然很弱，但在一段时间内会使对齐的自旋稍微偏离给定的方向，并且它们开始振荡，正如他们所说，在永磁体的强磁场方向上进动，就像轻轻推动的陀螺一样。

同时，原子核发生共振，即它们也发出微弱的无线电信号，可以被灵敏的探测器探测到。当探测射频脉冲关闭时，自旋返回有序状态，原子核产生的信号衰减。

通过计算机处理的信号的这种衰减时间和其他特征，可以判断组织的化学成分和生物学特性。对于屏幕上图像的每个点，来自研究中的内部器官中的共振氢核（质子）的数据被收集和平均，并且获得的每个值都被分配了自己的颜色。结果，具有不同质子密度的区域以及因此不均匀的组织用不同的颜色标记。

与 X 射线检查不同，NMR 方法绝对无害，并保证不同类型组织之间的对比度更好，这使得区分健康和患病区域变得容易。核磁共振断层扫描特别成功地用于诊断中枢神经系统和肌肉骨骼系统的病理，以及在健康组织的背景下识别肿瘤。

然而，核磁共振断层扫描正在获得新的地位。例如，在德国开发了一种使用 MRI 断层扫描诊断肺部的有前途的方法。它在汉诺威的“2000 年世博会”展览上展出，并受到专家和媒体的高度评价。

对于肺部疾病的诊断，德国医生每年要拍 XNUMX 万张 X 光片。但是，这些图像对比度不够，X射线对身体有害。另一件事是MRI断层扫描。

在许多伴随呼吸衰竭发生的疾病中，例如哮喘或肺气肿，由于肺组织的密度很小，NMR 断层扫描的图像不够清晰。而对于诊断像氧气和氮气这样的轻质物质来说如此重要，根本没有记录。因此，研究人员正试图通过让患者吸入无害气体作为造影剂来改善肺部成像。

极化的稀有气体特别有前途。测试表明，用它们浸透肺部可以让您获得清晰的图像。与氢气相比，极化惰性气体的更好磁化有利于断层扫描仪的工作。因此，医生不仅可以早期诊断哮喘、囊性纤维化等肺部疾病，还可以检查治疗效果。

在德国，美因茨大学物理研究所的 Ernst Wilhelm Otten 和 Werner Geil 奠定了新方法的基础。 Otten 和 Gail 选择了 helium-3 作为他们实验的造影剂。在他们看来，氙气在这里不太适合，因为它会被血液吸收，对病人有麻醉作用。

因此，使用 MRI 扫描仪和偏振氦 3 作为造影剂，Otten 和 Geil 与来自美因茨的放射科医生 Manfred Thelen 和海德堡德国癌症研究中心的专家一起，最终获得了清晰的空气图像分布于肺。对一名 XNUMX 岁受试者进行的实验中的新方法使确定已经陈旧的肺气肿的迹象成为可能。尽管这个人吸烟，但她感觉完全健康，并且没有抱怨她的肺。

另一个例子是使用核磁共振扫描仪代替心脏导管来诊断心脏病发作。

使用心电图、超声波和放射性同位素辐射来检查心脏并不总是能得到令人满意的结果。在这种情况下，通常使用心脏导管进行诊断，该导管通过血管插入心脏。这对受试者的身体来说是一个严重的负担，许多患者更喜欢新的、最现代的、对人类无害的磁场，而不是传统的方法：心脏通过核磁共振断层扫描仪“透视”。以前型号的 NMR 断层扫描仪，由于测量周期太长，无法提供足够清晰的图像（心跳不断，“长时间曝光”图像模糊）。最新的设备、改进的硬件和软件让您可以在两次心跳之间拍摄相当清晰的心脏照片。

柏林德国心脏中心的 Eike Nagel 解释说：“现在的准确性明显高于以前的非侵入性方法。使用该技术，心脏导管检查的次数至少可以减少 20%。” 根据乐观主义者的说法 - 一半。

作为一种综合诊断工具，MRI 成像仪在空间上描绘心脏和大动脉，测量血液供应并识别死亡组织。温和的高科技方法适用于心脏病患者的预防和治疗。

MRI 断层扫描使心脏病患者免于不必要的压力。使用这种方法，可以预测血管扩张或吻合手术是否成功。芝加哥西北大学的科学家在他们的临床研究中证明了这一点。

新技术可以保护许多年轻患者免受危险干预，这一点非常重要。受试者所暴露的强磁场实际上是无害的——至少根据现代科学。相反，替代方法（例如计算机和正电子发射断层扫描）适用于对身体不安全的物质 - X 射线和放射性同位素。

一种热潮正在台湾省会台北市进行心血管疾病的断层预防。最近在那里开设了一个特殊的检查中心，使用 NMR 断层扫描仪对心脏和血管进行大约半小时的检查，费用为 XNUMX 美元，而视频眼镜和悦耳的音乐可以帮助患者放松......

作者：Musskiy S.A.

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