Формирование МР-изображения

Процесс формирования МР-изображения основан на способности системы МРТ различать пространственное распределение сигналов от ядер водорода в тканях организма. Для этого применяются специальные методы пространственного кодирования, основанные на использовании градиентных магнитных полей. Основными компонентами пространственного кодирования являются:

  • Кодирование по частоте (частотное кодирование);
  • Кодирование по фазе (фазовое кодирование);
  • Кодирование по срезу (селекция среза).

Каждый из этих методов использует градиенты магнитного поля, накладываемые на основной магнит, в определённых направлениях: обычно по осям X (лево–право), Y (перед–назад) и Z (голова–ноги).

Селекция среза

Для получения двумерного среза объема ткани используется градиент селекции среза, накладываемый во время возбуждающего радиочастотного (РЧ) импульса. При этом основное магнитное поле становится неоднородным вдоль выбранной оси (обычно Z), и в зависимости от координаты изменяется резонансная частота ядер. Применение узкополосного РЧ-импульса позволяет возбуждать только те спины, частота которых соответствует заданному диапазону — то есть только в пределах определённого среза. Толщина среза зависит от амплитуды градиента и полосы частот возбуждающего импульса:

$$ \Delta z = \frac{\Delta f}{\gamma G_z} $$

где:

  • Δz — толщина среза,
  • Δf — ширина полосы частот импульса,
  • γ — гиромагнитное отношение,
  • Gz — градиент вдоль оси Z.

Частотное кодирование

После возбуждения среза, в момент считывания сигнала (приём эха), накладывается градиент частотного кодирования (обычно по оси X). В результате этого градиента прецессионная частота ядер становится линейной функцией положения по оси X. Это позволяет различать положение сигналов в пространстве на основании различий в частоте. Таким образом, частотное кодирование обеспечивает распределение сигналов вдоль одной пространственной оси.

Фазовое кодирование

Одновременно с частотным кодированием используется градиент фазового кодирования (обычно по оси Y). Этот градиент накладывается на короткое время между возбуждением и считыванием сигнала. Он вызывает временное изменение прецессионной частоты в зависимости от положения вдоль соответствующей оси, что приводит к накоплению фазы, зависящей от координаты. Хотя градиент быстро выключается, приобретённая фаза сохраняется и влияет на форму принимаемого сигнала. Для получения полной информации градиент фазового кодирования изменяется ступенчато от строки к строке — каждый шаг соответствует одной линии в пространстве Фурье (k-пространстве).

K-пространство

Собранные сигналы формируют k-пространство — двумерную матрицу данных, содержащую амплитуду и фазу сигналов от различных комбинаций частотного и фазового кодирования. Это не изображение в привычном смысле, а промежуточное представление. Каждая точка в k-пространстве соответствует суммарному сигналу от всех точек изображения, модулированному по частоте и фазе. Преобразование k-пространства в изображение осуществляется с помощью обратного двумерного преобразования Фурье:

ρ(x, y) = ∫∫S(kx, ky)ei2π(kxx + kyy)dkxdky

где:

  • ρ(x, y) — распределение плотности спинов (МР-контраст),
  • S(kx, ky) — значение сигнала в k-пространстве,
  • kx, ky — пространственные частоты, определяемые градиентами.

Разрешение изображения и поле обзора

Разрешение изображения зависит от ширины диапазона k-пространства, в то время как размер поля обзора (FOV) определяется шагом дискретизации. Основные соотношения:

$$ \Delta x = \frac{1}{2 k_{x,\text{max}}}, \quad FOV_x = \frac{1}{\Delta k_x} $$

где:

  • Δx — размер пикселя,
  • FOVx — поле обзора,
  • kx, max — максимальное пространственное частотное значение,
  • Δkx — шаг по k-пространству.

Существует компромисс между разрешением, временем сканирования и уровнем шума: для улучшения разрешения необходимо расширить диапазон фазового кодирования, что увеличивает общее число шагов и время сканирования.

Типы импульсных последовательностей

Реализация формирования изображения зависит от выбора импульсной последовательности, то есть схемы чередования РЧ-импульсов и градиентов. Наиболее распространённые типы:

  • SE (Spin Echo) — обеспечивает высокое качество изображения, хорошо компенсирует неоднородности поля;
  • GRE (Gradient Echo) — быстрее, но чувствительнее к неоднородностям;
  • EPI (Echo Planar Imaging) — быстрая съёмка всего k-пространства за один возбуждающий импульс, используется в функциональной МРТ и при диффузионной визуализации.

Каждая из этих последовательностей имеет свои особенности по структуре градиентов и характеру формирования сигнала эха, влияя на контрастность, шум, артефакты и скорость.

Артефакты при формировании изображения

Формирование МР-изображения может сопровождаться различными артефактами, связанными с ошибками пространственного кодирования:

  • Aliasing (wrap-around) — наложение сигнала, если размер объекта превышает FOV;
  • Ghosting — периодические повторения изображения из-за нестабильности фазового кодирования;
  • Chemical shift — смещение жировых и водных сигналов из-за разницы в резонансной частоте;
  • Susceptibility artifacts — искажения на границах тканей с разными магнитными свойствами (например, металл);
  • Motion artifacts — размытие и искажения из-за движения пациента или внутренних органов.

Для минимизации этих артефактов применяются корректирующие техники: увеличение FOV, фазовая коррекция, подавление жира, синхронизация со дыханием и пульсом.

Реконструкция изображения

После сбора всех данных k-пространства осуществляется их цифровая реконструкция:

  1. Предобработка данных — коррекция фазы, подавление шума, компенсация дрейфа частоты.
  2. Быстрое преобразование Фурье (FFT) — основной алгоритм для преобразования данных из k-пространства в изображение.
  3. Постобработка — выравнивание интенсивности, фильтрация, масштабирование, создание цветовых карт.

В зависимости от задачи возможны дополнительные этапы: диффузионное тензорное моделирование, количественная оценка релаксационных параметров, сегментация и наложение анатомических структур.

Значение градиентных систем

Высокоточная работа градиентных катушек критически важна для успешного пространственного кодирования. Основные параметры:

  • Амплитуда градиента (до 80 мТл/м);
  • Скорость нарастания (slew rate, до 200 Тл/м/с);
  • Линейность и стабильность.

Недостаточная производительность градиентов ограничивает разрешение и скорость, а нелинейности приводят к искажению изображения.

Современные технологии формирования изображений

Современные методы позволяют значительно ускорить и улучшить формирование МР-изображений:

  • Parallel Imaging (SENSE, GRAPPA) — одновременный сбор данных с нескольких антенн и уменьшение числа фазовых шагов.
  • Compressed Sensing — реконструкция изображений из неполных данных с использованием спарсности.
  • Deep Learning Reconstruction — нейросетевые алгоритмы повышения качества и ускорения съёмки.
  • Multiband Imaging — одновременная съёмка нескольких срезов с помощью спектральных кодов.

Эти методы позволяют получать изображения высокого разрешения за короткое время, снижая нагрузку на пациента и повышая клиническую информативность.

Оглавление