ЯМР-томографи в якості джерела сигналу використовують водень (організм майже на 80% складається з води). У звичайному стані (при відсутності зовнішнього магнітного поля) все ядра водню орієнтовані в просторі людського тіла випадково, випадково орієнтовані і їх осі обертання, внаслідок чого сумарний магнітний момент відсутня (= 0). При приміщенні об'єкта всередині зовнішнього постійного магнітного поля В0. магнітні моменти протонів орієнтуються у напрямку силових ліній цього поля (частина з них орієнтується в напрямку зовнішнього магнітного поля, а част - в протилежному). Протони, магнітні поля яких сонаправлени з напруженістю зовнішнього магнітного поля знаходяться на енергетично більш низькому рівні в порівнянні з протонами антипараллельной орієнтації. Цей енергетичний процес забезпечує виникнення і існування власного магнітного моменту досліджуваної тканини. Напрямок, паралельне силовим лініям зовнішнього магнітного поля, визначимо як поздовжнє (вісь Z).
Прецессия протона просторове рух спинив протонів у вигляді конуса
Частота прецесії ядра атома водню залежить тільки від напруженості магнітного поля. Групи протонів, що знаходяться під дією постійною магнітного поля, прецессируют з однаковою частотою. але в різних напрямках (паралельно антипараллельно зовнішньому полю). Так як рух спінової системи можна розглядати як коливальний, то їй притаманні резонансні властивості, причому резонансу можна досягти. якщо застосувати зовнішнє збудження з частотою, сонаправленнимі з власною частотою системи. При магнітному резонансі це - ларморовой частота (42,5659 МГц). Для збудження спінової системи, що знаходиться в постійному магнітному полі, зазвичай використовують імпульсний електромагнітне поле радіочастотного метрового діапазону з частотою близькою до ларморовой частоті ядер. Результатом такого впливу є те. що протони переходять в стан рівноваги на більш високому енергетичному рівні і відбувається їх переорієнтація. Після припинення радиоимпульса ядра швидко повертаються на нижній енергетичний рівень, а надлишок енергії втрачається ними у вигляді е / м імпульсу випромінювання тієї ж частоти (процес релаксації). Це «поглинання-випромінювання» отримало назву ядерно-магнітного резонансу.
Виділяють два часу релаксації (Т1 і Т2) - відновлення 63% і 37% від початкового значення поздовжньої намагніченості.
Обидва часу релаксації (Т1 і Т2) містять інформацію про в'язкості, концентрації парамагнітних іонів і змінюються зі зміною температури досліджуваного середовища і зовнішнього магнітного поля.
Яскравість (або почеріеніе) кожного елемента ЯМР - зображення визначається інтенсивністю радіочастотного імпульсу, що випускається збудженої тканиною відповідного обсягу.
Сформувати площину (зріз), в яку потрапляють зображення, дозволяє використання спеціальних магнітних градієнтів, що підсилюють або послаблюють магнітне поле, створюване основним постійним магнітом в певному місці МР-системи. Додаткові магнітні градієнти створюються за допомогою трьох наборів градієнтних котушок, які формують магнітне поле, спрямоване вздовж осі Z і лінійно змінюються по величині уздовж осей Х. Y, Z. Градієнтні поля завжди складаються з основним або віднімаються від них. Три градієнта (GZ GX GY). Градієнт магнітного поля дозволяє скоригувати величину поля лише в обраній площині. Протони. що лежать уздовж осі цього градієнта, піддаються більш-сильному впливу зовнішнього магнітного поля, що сприяє досягненню максимальної частоти прецесії протонів в точці своєї найбільшої напруженості. При впливі радіочастотного імпульсу відповідної частоти лише протони в цій точці будуть мати відповідну частоту і випускати ЯМР сигнал, а по обидва боки обраної площині зображення сила поля буде занадто мала, щоб досягти Ям резонансу. GZ - переміщення площині зрізу. Шляхом градієнтів GX і GY можна отримувати ЯМР і у фронтальній, і в сагітальній площинах.
Узагальнена структурна схема ЯМР томографа: КДс- комп'ютер з дисплеєм; Гру- градієнтний підсилювач; ВЧГУ і ВЧК- високочастотні генератор-підсилювач і котушка; ЯМР-С- формувач ЯМР сигналу; ФГрXYZ - формувач магнітного градієнта за координатами X, Y, Z; ЯМР-З- зонд реєстрації ЯМР; М- магніт; Сіх і СЕСб- системи охолодження та енергозбереження
Постійний магніт генерує потужне однорідне і стабільне магнітне поле, з яким сумуються змінні градієнтні поля, створювані градієнтними котушками. Протони досліджуваного об'єкта порушуються радіочастотними імпульсами, що генеруються ВЧ генератором і випромінюваними ВЧ котушками (з роздільними або спільними функціями генерації і прийому), що сприймають випускаються протонами сигнали. які кодуються і оцифровуються за допомогою комп'ютера. Комп'ютер виконує функції контролю, збору, обробки та архівації даних, а також формування кінцевого зображення.
Однією з найдорожчих частин ЯМР-томографа - магніт, який створює постійне магнітне поле. Існують три типи магнітів: резистивні (або електромагнітні), постійні (перманентні) і надпровідні (криогенні). Резистивний магніт зазвичай складається з чотирьох котушок кільцеподібної форми. Електричний струм постійно проходить рез котушки, генеруючи магнітне поле в площині. перпендикулярній площині кілець магніту. Резистивні магніти створюють поля з максимальною індукцією до 0,3 Тл (якщо вище-багато витрат енергії і виділення тепла). Надпровідні магніти (ніобій-титанові сплави) - для створення магнітних полів з індукцією вище 0,2 Тл. При температурі -240 0 С вони втрачають опір і стають надпровідності. Такі магніти не вимагають постійного джерела енергії. Після створення необхідної різниці потенціалів джерела живлення відключаються, котушки замикаються, і по ним починає циркулювати струм, що створює стабільне магнітне поле напруженості до 2 і більше тесла, щоб не порушувався ефект надпровідності, магніт охолоджують рідким гелієм з температурою кипіння -269 0 С. Підвищення напруженості магнітного поля покращує якість зображення, але вимагає ускладнення обладнання.
На роботу ЯМРТ впливають предмети з магнітних матеріалів, а самі ЯМРТ впливає на роботу приладів, чутливих до магнітного поля. Для цього використовують системи екранування (наприклад, решітки Фарадея з мідного дроту). Радіопередавачі ЯМР-томографів повинні забезпечувати достатню потужність на робочих частотах. Радіопередавач і радіоприймач працюють за допомогою окремих або загальних антенних котушок. Важливо, щоб передавальна котушка не мала високою дробності, інакше вона буде довго «дзвеніти» після закінчення дії ВЧ-імпульсу. Навпаки, приймальня котушка повинна мати високу дробность і розташовуватися якомога ближче до об'єкта (якість зображення). В сучасних МР-томографах для отримання зображень найчастіше використовується комбінації фазової і частотної кодування просторової інформації. (Чи включається один, наприклад, Y-градієнт (фазового кодування) і спини досягають стану дефазіровкі. Після закінчення певного часу Y -градіент вимикається і реєструється сигнал вільної індукції або спіновий відлуння при наявності Х-градієнта (частотне кодування), який додається по осі Х . Далі система ревозбуждается при зміні часу дії градієнтів або сили Y-градієнта. Весь процес повторюється N раз, де N - число відліків фіксації ізображеіія в напрямку Y.Т.о. Y-градієнт є фазокодірующім (градієнт "підготовки") , А Х-градієнт кодує частотну інформацію (зчитує градієнт)).
Структурна схема ЯМР томографа "Образ-1": 1 повітряний електромагніт; 2 система водяного охолодження; 3 градиентно-коригувальний модуль; 4 блок формування радіочастотних імпульсів; 5 стіл пацієнта; 6 консоль оператора; 7- джерело живлення градиентно-коригуючого модуля; 8- джерело живлення повітряного електромагніту; 9-обчислювальний комплекс з системою управління та відображення; 10 модуль сполучення; 11- приймач
При подачі живлення на томограф в досліджуваній області за допомогою електромагніту 1 створюється постійне магнітне поле. Градієнти магнітного поля і його корекція в заданому напрямку забезпечуються градиентно-коригуючих модулем 3. Сканування і переорієнтація градієнтів здійснюються програмно від ПЕОМ 9 і реалізуються через блок формування радіочастотних імпульсів (РЧ) 4 і систему харчування градієнтних котушок 7. Необхідна для збудження магнітного резонансу послідовність імпульсів формується ПЕОМ. яка задає форму огинають для РЧ-імпульсів в приймач: 11 і блокує підсилювач на час випромінювання імпульсів РЧ котушкою. Обробка МР сигналу і реконструкція зображення здійснюються за допомогою ПЕОМ. Охолодження електромагнітів 1 здійснюється системою 2 водяного охолодження.