Применение ЯМР - интроскопии в медицине

При сопоставлении различных методов получения ЯМР- изображений обычно указывают три характеристических параметра:

1. Отношение сигнала к шуму.

2. Время получения ЯМР- изображения.

3. Пространственное разрешение.

Отношение сигнала к шуму равно отношению ЭДС, индуцированной в приемной РЧ- катушке, к средней квадратической амплитуде тепловых шумов U_n:

S / N = x / U_n,

где

U_n = (4kT_cR D n)^1/2 ;

T_c - – абсолютная температура катушки; R – электрическое сопротивление; D n – ширина полосы частот всей приемной системы. Так как ЯМР- сигналы регистрируют фазово- чувствительным детектором, то в формулу для отношения S / N входит отношение амплитуд сигналов, а не энергий. ЭДС равна

x @ (В₁)_ху М w ₀ V_s » w ₀ B₀(B₁)_xyV_s » w ₀ ² V_s(B₁)_xy

                             

при n _о ³ 5 МГ ц  . В РЧ- катушке соленоидального вида поле В₁ для единичного тока равно

В₁⁰ = ´  n >> 1,

где а - радиус катушки; 2b - ее высота; m ₀ - восприимчивость свободного пространства; n - число витков в катушке. С учетом скин - эффекта электрическое сопротивление катушки

R 3/2 * h * (r a n²) / (2 d g) @ n >> 1,

6

где r - сопротивление катушки; h» 3 - 6 - фактор близости; d - толщина скин-слоя. В области частот n ₀ £ 1МГц отношение сигнала к шуму измеряется как степень 7/4 от лармовой частоты. При высоких частотах, когда основные потери РЧ- мощности происходят в образце, это соотношение переходит в линейное. Для объектов больших размеров, например для тела человека, необходимо учесть скин- эффект и электрическое сопротивление тканей, которое равно» 1 W, а толщина скин- слоя составляет 80 мм при n ₀ = 40 МГц. Из-за ослабления РЧ- поля угол нутации q становится функцией глубины z:

q p _{/ 2} = B₁⁰ t_p exp(- z/ d).

Разброс угла нутации по глубине компенсируют, выбирая для каждой глубины z соответствующую амплитуду РЧ- поля.

Моделирующие расчеты эффектов ослабления и сдвига по фазе электромагнитного поля в различных тканях человека показывают, что в ЯМР- интроскопах, предназначенных для получения ЯМР- изображений человека, частота Лармона не должна быть более 10 МГц.

Тело человека, помещенное в РЧ- катушку ЯМР- интроскопа, можно рассматривать как электрическое сопротивление с Z = 1.87 W, которое включено последовательно с электрическим сопротивлением соленоидальной РЧ- катушки, имеющей R = =1.56 W. При этом полное эффективное сопротивление равно R’ = R + Z = 3.43 W. Амплитуда шума U_n возрастает в  =  раза. Именно во столько раз (и не больше!) возрастает отношение сигнала к шуму, если охладить РЧ- катушку до сверхпроводящего состояния. Приведенная выше оценка отношения сигнала к шуму верна для прямого метода сканирования, и во всех интегральных и многопланарных методах получения ЯМР- изображений отношение сигнала к шуму в эквивалентных условиях значительно выше. Указанный фактор позволяет снизить требуемое время получения ЯМР- изображения вплоть до 1с.

Важное преимущество методов интроскопии при помощи ядерного магнитного резонанса в том, что здесь нет ионизирующего излучения. Этот факт стал решающим стимулом быстрого распространения ЯМР- интроскопов в клиниках. В процессе съема данных о ЯМР- изображении тело человека подвергается действию трех агентов: статического магнитного поля, переключаемых или осцилирующих градиентных магнитных полей, а также импульсных радиочастотных полей. Статическое магнитное поле может вызвать генетические или биохимические эффекты, а также эффекты на клеточном уровне. Вплоть до индукции магнитного поля 2 Тл указанных эффектов не наблюдалось. Статическое магнитное поле может изменять скорость распространения импульсов электрического поля по нервам. Согласно теоретическим оценкам, изменение указанного фактора на 10% должно наступить в полях с индукцией 24 Тл и более. В экспериментах, проведенных в магнитном поле 2 Тл в течение 4ч никаких изменений в скорости проводимости нервов обнаружено не было. Искомое явление маскирует эффект изменения температуры тела. Повышение температуры тела на 0.1 ° С приводило к вариациям рассматриваемого фактора на 2 - 4 %.

В сильных магнитных полях наблюдают аномалии в электрокардиограмме сердца. При движении крови в магнитном поле возникает дополнительная ЭДС. Наблюдаемый эффект, который растет линейно с индукцией магнитного поля вплоть до 2 Тл и исчезает сразу же после выключения статического магнитного поля, используют для изучения потока крови в сердце. При этом не возникают ни аритмия, ни изменения в

7

частоте сокращения сердца, ни изменения в давлении крови и не происходит никаких химических изменений.

Исследование поведения бактерий и генетические исследования лимфоцитов крови человека при помощи методики, очень чувствительной к слабым примесям токсических веществ и к ультрафиолетовому облучению, не позволили обнаружить какие- либо вредные эффекты вплоть до индукции магнитного поля» 1 Тл.

Переключаемые и осцилирующие градиентные магнитные поля могут создать недопустимо высокие значения внутренней ЭДС. При скорости переключения 3 Тл/с возникают электрические токи с плотностью около 3 мкА/см², которые могут вызвать нетепловые биологические эффекты. Количественный анализ показал, что для градиентной катушки диаметром 20 см допустимое значение скорости переключения магнитного поля равно dB/dt = 1 Тл/с. Это значение лежит ниже порога возбуждения нервов (» 3 * 10³ мкА/см²), порога свертывания крови в сердце (10² - 10³ мкА/см²), порога наблюдения вспышек света в глазах человека под действием электродов на голове человека (» 17 мкА/см²), а также порога эффекта магнитных фосфенов (» 5 мкА/см²). Специальные эксперименты показали, что патологические изменения в крови отсутствуют при скорости переключения магнитного поля» 500 Тл/с. Было замечено, что порог указанных эффектов зависит также от формы функции, описывающей вариации магнитного поля во времени. Синусоидальные сигналы не создают практического вреда в интервале частот 30 - 65 Гц и только асимметричные формы сигналов дают заметные изменения этих факторов на пациентах.

Радиочастотное поле ЯМР- интроскопа создает нагрев тканей. Установленный верхний порог равен 4 Вт/кг при времени воздействия менее 10 мин. и 1.5 Вт/кг при длительном облучении. Основной обогрев происходит на поверхности тела. Тело теряет тепло за счет излучения и прямого охлаждения. При низкой влажности воздуха и мощности облучения 4 Вт/кг в течение 10 мин. температура тела повышается на 0.7 ° С.

Тепло, выделяемое в тканях человека во время сеанса облучения РЧ- полем, измеряют по добротности системы с пациентом и без пациента.

Наблюдения за поведением отдельных клеток, поиск генетических повреждений и аберраций в хромосомах показали, что комплекс факторов, характерных для ЯМР- интроскопии, не создает вредных эффектов.

ЯМР- изображения несут важную информацию о химии физиологических процессов, о структуре и динамике тканей на молекулярном уровне и как следствие этого дают принципиально новые возможности для медицинской диагностики. Это свойство и безвредность ЯМР- интроскопии стали решающим стимулом быстрого внедрения ЯМР- интроскопии в медицинские клиники. Современные ЯМР- интроскопы дают пространственное разрешение 1 ´ 1 ´ 4 мм при времени получения изображения около 100 с, позволяют одновременно получать локализованные спектры химических сдвигов ядер ³¹Р и ¹³С в естественной концентрации. Одновременно или с небольшим разрывом во времени можно получить как анатомическую информацию, так и данные об обмене веществ в тканях (метоболизме). Время получения спектра ³¹Р равно 10 и 16 мин. для спектра ¹³С. Положение и относительные интенсивности пиков в спектре ³¹Р указывают на отклонения от нормы в тканях под действием ишемии, злокачественной опухоли, нарушения обмена и демонстрируют результаты терапии. Спектры ¹³С содержат информацию об уровне триглицерида и гликогена. На ЯМР- изображениях можно отобразить:

Время спин- решеточной релаксации Т₁ ;

8

2.Время спин- спиновой релаксации Т₂;

         3.Коэффициент диффузии молекул;

Особенно ценную информацию несут ЯМР- изображения сосудистой системы, спинового мозга, головного мозга, легких и средостения. Все случаи злокачественных опухолей, обнаруживаемых при помощи реконструктивной рентгеновской томографии, идентифицируются на ЯМР- изображениях ядра водорода. Накоплен большой опыт клинического исследования головного мозга человека при помощи ЯМР- интроскопии. Всего было обследовано 140 пациентов с широким спектром неврологических заболеваний. Преимущество ЯМР- изображений в том, что на них серое вещество мозга отображается с высоким контрастом, который недоступен для рентгеновской реконструктивной томографии. Отсутствуют артефакты, создаваемые костными тканями в рентгеновской реконструктивной томографии, отображаются параметры о потоке жидкостей.

Большой набор параметров на ЯМР- изображениях позволяет с высокой достоверностью обнаружить такие патологические процессы, как эдема, инфекции, злокачественные опухоли и перерождения ткани. Особенно высокую чувствительность к мозговой эдеме дают сигналы спинового эха. Главный недостаток ЯМР- интроскопии в том, что на ЯМР- изображениях нет информации о структуре костей. Для этой цели необходимо использовать реконструктивную рентгеновскую томографию.

ЯМР- интроскопия дает уникальную возможность своевременно обнаружить образование миелита в развивающемся плоде и при оценке мозговых нагноений у детей.

Результаты первого опыта использования ЯМР- интроскопии в педиатрии являются обнадеживающим. При помощи планарного метода получения ЯМР- изображений с регистрацией эхо- сигнала за малые доли секунды получают изображения легких, сердца, и средостение без артефактов движения. Иначе говоря, съем данных ведут в реальном масштабе времени. Время получения изображения с разрешением 6 мм и толщиной 8 мм равно 35 мс. Сигналом - монитором является электрокардиограмма. За 4.5 минуты получают 512 ЯМР- изображений - 32 среза с 16 кинокадрами на каждый срез. Таким образом, регистрируемые данные имеют четырехмерную структуру. С помощью ядерного магнитного резонанса получены результаты обследования детей в возрасте от 3 до 14 месяцев и сняты изображения левого желудочного сердца. Методы ангиографии были в этих случаях бессильны.

Описаны случаи, когда злокачественные опухоли в головном мозге на раннем этапе развития были обнаружены только на ЯМР- изображениях и были едва заметны на рентгеновских томограммах.Эти и другие исследования убедительно свидетельствуют о том, что в нейрологической диагностике наступает новая эра.

В других работах было показано экспериментально, что анатомическая информация и данные о метаболизме в головном мозгу человека могут быть получены на одной установке. Вопреки общепринятым представлениям, был построен ЯМР- интроскоп для головного мозга человека на очень высокой резонансной частоте 63.9 МГц при индукции магнитного поля 1.5 Тл и щелевом резонаторе РЧ- поля. Было достигнуто повышение отношения сигнала к шуму в 11 раз по сравнению с системой, работающей в магнитном поле с индукцией 0.12 Тл. Локализованные ЯМР- спектры высокого разрешения ³¹Р, ¹³С и ¹Н были получены при помощи поверхностной катушки. Таким образом, метод получения совместных данных об анатомии и о биохимии тканей в мозгу человека становится традиционным.

9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

История науки учит нас, что каждое новое физическое явление или новый метод проходит трудный путь, начинающийся в момент открытия данного явления и проходящий через несколько фаз. Сначала почти никому не приходит мысль о возможности, даже весьма отдаленной, применения этого явления в повседневной жизни, в науке или технике. Затем наступает фаза развития, во время которой данные экспериментов убеждают всех в большой практической значимости данного явления. Наконец, следует фаза стремительного взлета. Новые инструменты входят в моду, становятся высокопродуктивными, приносят большую прибыль и превращаются в решающий фактор научно- технического прогресса. Приборы, основанные на когда-то давно открытом явлении, заполняют физику, химию, промышленность и медицину.

Наиболее ярким примером изложенной выше несколько упрощенной схемы эволюции служит явление магнитного резонанса, открытое Е. К. Завойским в 1944 г. в форме парамагнитного резонанса и независимо открытого Блохом и Парселлом в 1946 г. в виде резонансного явления магнитных моментов атомных ядер. Сложная эволюция ЯМР часто толкала скептиков к пессимистическим заключениям. Говорили, что “ ЯМР мертв “, что “ ЯМР себя полностью исчерпал “. Однако вопреки и наперекор этим заклинаниям ЯМР продолжал идти вперед и постоянно доказывал свою жизнеспособность. Много раз эта область науки оборачивалась к нам новой, часто совсем неожиданной стороной и давала жизнь новому направлению. Последние революционизирующие изобретения в области ЯМР, включая удивительные методы получения ЯМР- изображений, убедительно свидетельствуют о том, что границы возможного в ЯМР действительно безграничны. Замечательные преимущества ЯМР- интроскопии, которые будут высоко оценены человечеством и которые сейчас являются мощным стимулом стремительного развития ЯМР- интроскопии и широкого применения в медицине, заключаются в очень малой вредности для здоровья человека, свойственной этому новому методу.

     

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: