Технолог Энди Эллисон из Биомедицинского томографичесого центра (Center for Biomedical Imaging) в свободное время делает томограммы овощей, фруктов, цветов и многого другого. Свои результаты он выкладывает в блог «Inside Insides». Для работы Эллисон использует исследовательский (то есть не предназначенный для медицинского использования) томограф Philips 3 Tesla MRI, индукция магнитного поля которого, как следует из названия, не превышает трех тесла. «Лента.ру» предлагает читателям лучшее из работ Эллисона.
В основе МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса. Суть этого явления заключается в поглощении или излучении электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином, во внешнем магнитном поле. Излучение и поглощение происходит на определенной частоте, которая называется частотой ядерного магнитного резонанса. За открытие этого явления в 1944 году Исаак Раби получил Нобелевскую премию по физике.
Причиной резонанса является переориентация магнитного момента ядер. Вектор магнитной индукции можно представлять себе как стрелку. В сильном магнитном поле она направлена по касательной к линиям этого поля. При этом два направления ориентации такой стрелки оказываются неравносильны — у состояния, при котором стрелка направлена против магнитного поля, энергия больше, чем у состояния, когда стрелка направлена по направлению поля.
Соцветие протеи (вид сверху)
Фото Andy Ellison/Insideinsides
Воздействие электромагнитного излучения резонансной частоты переводит ядра в «возбужденное» состояние, то есть они меняют свое направление на противоположное полю. Возвращение магнитного момента обратно сопровождается излучением.
При томографии изучаемый объект помещается в сильное (порядка нескольких тесла) магнитное поле. Объектами с ненулевым спином в этом случае выступают ядра водорода (суть протоны), входящие в состав молекул воды и многих органических веществ (например, жиров). Вода в том или ином виде присутствует почти во всех тканях организма. Дальше на образец воздействует градиентное магнитное поле, а также радиосигнал на резонансной частоте.
Электромагнитный отклик от атомов водорода — он приходит в радиодиапазоне — регистрируется приборами. Главной сложностью при МРТ, по сути, является извлечение информации о структуре объекта по данным радиоизлучения. Для этого приходится менять ориентацию внешнего поля. Это сопровождается характерными щелчками. С появлением компьютеров такой анализ стал рутинной и довольно быстрой процедурой. В настоящее время в мире работает примерно 25 тысяч магнитно-резонансных томографов. Для создания необходимого магнитного поля большинство из них использует сверхпроводящие магниты, охлаждаемые гелием.
Огурец — типичный образец паракарпного плода, в котором плодолистики срослись краями.
Метод магнитно-резонансной томографии в привычном нам виде был впервые описан химиком Полом Лотербуром в 1973 году. В Nature вышла его статья, озаглавленная «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже физик Питер Мэнсфилд усовершенствовал математический аппарат томографии, что позволило получать снимки за секунды (а не часы, как было раньше). За свои заслуги оба ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2003 году.
Примечательно, что вручение премии вызвало скандал. О своих претензиях заявил другой ученый — Реймонд Ваган Дамадьян. В 1971 году он опубликовал в Science работу, в которой предложил обнаруживать раковые опухоли с помощью ядерного магнитного резонанса. Первые практические работы Дамадьяна были не слишком успешными. Но несмотря на это, после вручения премии Мэнсфилду и Лотербуру он выкупил по рекламной странице в New York Times и The Washington Post и опубликовал на них свое возмущенное письмо. Деньги на это предприятие Дамадьян заработал с помощью созданной им корпорации FONAR, которая занимается производством томографов (работающих, надо сказать, по методам Мэнсфилда-Лотербура).
Маракуйя — это лизикарпная ягода.
Фото Andy Ellison/Insideinsides
В конце октября 2012 года стало известно, что инженеры, медики и физики из Германии и Франции объявили о том, что проект по созданию самого мощного в мире магнитно-резонансного томографа INUMAC перешел в финальную стадию: создание самого магнита. Сверхпроводящий магнит внутри устройства будет создавать поле с индукцией 11,5 тесла. По оценкам инженеров, такой магнит способен оторвать от земли металлическую болванку массой 60 тонн.
Чем больше величина магнитной индукции, тем больше разрешающая способность томографа. INUMAC позволит достичь разрешения в 0,1 миллиметра на воксель (объемный пиксель). Такие показатели позволят, по сути, сделать прорыв в исследовании мозга — томограф позволит ученым следить за группами нейронов в мозгу по несколько сотен штук в каждом. Для сравнения, магнит типичного томографа создает поле с индукцией 1,5 до 3 тесла. Магниты же Большого адронного коллайдера способны создавать поле до 8,4 тесла.
Помимо медицины томография в настоящее время используется в разного рода исследованиях. Например, с помощью томографии изучают мумий. Недавно данные томографии челюстей удалось применить для создания более естественных трехмерных моделей.