использование мини ямр томографа для изображения структур

МИНИ ЯМР ТОМОГРАФ И НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ
Неронов Ю.И.1, Серегин А.Н.2
1
190005, Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Метрологии имени
Д.И. Менделеева. Санкт-Петербург, Московский пр. д. 19
2
197101, Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий,
механики и оптики (СПбГУ ИТМО), пр. Кронверкский, д. 49
Аннотация. На примере использования лабораторного мини ЯМР томографа настольного
типа оценивались его возможности для получения изображения живых тканей руки пациента
и регистрации спин-спиновой релаксации протонов воды и протонов липидных соединений.
При обследовании группы участников эксперимента были выявлены нормальные вариации
скорости спин-спиновой релаксации, достигающие величины до 24 %, обусловленные
индивидуальными биохимическими особенностями. Зарегистрированы изменения констант
спин-спиновой релаксации при ограничении притока артериальной крови и при физических
нагрузках. Обсуждаются возможности таких приборов для диагностики возрастных
изменений плотности костной ткани и оценки вариации констант спин-спиновой релаксации.
Ключевые слова. ЯМР томограммы и остеопороз; спиновая релаксация протонов живых
тканей.
1. Введение. Задачей медицинского обслуживания является обнаружение начальных
патологических отклонений, которые могут переходить в существенные нарушения
функционирования живых тканей. В этой связи, требуется разработки таких общедоступных
диагностических приборов, которые в совокупности позволят формировать цифровой портрет
физиологического состояния человека для своевременного выявления необратимых
изменений.
Современные ЯМР томограммы со сверхпроводящими магнитами являются
дорогостоящими приборами. Они позволяют визуализировать взаимное расположение
органов живого организма. Причем, контрастное отличие соседних органов обеспечивается,
прежде всего, тем, что у разных клеточных структур отличаются времена спиновой
релаксации Т1 и Т2. Эти константы Т1 и Т2 определяют скорость установления равновесного
состояния локальных векторов протонной намагниченности исследуемых объектов (Т1) по
направлению магнитного поля и скорость падения фазовой когерентности (Т2) этих векторов
в плоскости перпендикулярной магнитному полю.
В настоящей работе исследовались возможности небольшого настольного прибора:
импульсной ЯМР установки, в которой применен постоянный магнит с полем 0.13 Тл.
Прибор потребляет энергию не более 30 ватт, имеет компактное исполнение и может
управляться от ноутбука.
2. Получение изображений. В отличие от описанного ранее мини ЯМР томографа [1-3]
в настоящей работе к этому прибору был разработан датчик ЯМР сигналов, в котором
приемная
резонансная
индуктивность
защищена
от
исследуемого
образца
электростатическим экраном. Экраном является изогнутая плоскость, содержащая набор
тонких проводников, заземленных с одного конца. Такой экран не уменьшает добротность
приемного резонансного контура, но сохраняет стабильные условия радиочастотного
резонанса при смене различных объектов исследования. С таким экраном датчик позволяет в
оптимальных условиях накапливать ЯМР сигналы от любых диамагнитных объектов.
Диаметр доступной области исследования мини томографа составляет 22 мм. При времени
накопления порядка 10 минут и размере матрицы 64х64, разрешение в плоскости
томограммы составит примерно 0.3×0.3 мм2 при толщине слоя около 4 мм.
На рис. 1 представлены типичные томограммы большого и указательного пальца правой
руки участников эксперимента. Яркие участки соответствуют расположению мягких тканей и
тканей костного мозга. Причем, ткани костного мозга, как правило, дают наиболее
интенсивный сигнал. Костная ткань и сухожилия содержат мало воды, их расположение
передается на томограммах темными тонами. Сухожилия, обеспечивающие передачу
движения, видны на томограммах либо при соединении с костной тканью (Рис. 1, левая
томограмма), либо отходят от костной ткани не несколько миллиметров (Рис. 1, правая
томограмма) в зависимости от выбранного сечения изображения.
3. Определение времен релаксации. С целью оценки точностных возможностей этой
аппаратуры было разработано программное обеспечение, которое формирует импульсные
последовательности для регистрации времен релаксаций Т1 и Т2.
Выяснилось, что константы Т2 более чувствительны к биохимическим вариациям состава
живых тканей, чем Т1, поэтому далее обсуждаются данные для Т2. Для примера, на рис. 2
представлен способ регистрации и контроля процедуры определения Т2. В левой части экрана
монитора периодически отображаются ЯМР сигналы в шкале времени при изменении
интервала между импульсами возбуждения. При подборе оптимальной длительности
импульсов возбуждения отношение сигнал/шум эхо сигналов оказывается максимальным.
В правой части представлены три последовательности амплитуд ЯМР эхо сигналов от
живых тканей после (90+180)-градусных импульсов. Первый 90-градусный импульс
минимизируем намагниченность в направлении магнитного поля, а последующий 180градусный импульс, подаваемый через изменяемый интервал времени t, позволяет
формировать ЯМР эхо сигнал.
Рис. 1. Томографические изображения живых тканей, полученные при размещении ладони в
центре магнитной системы мини ЯМР томографа. Представлены сечения большого и
указательного пальца руки участников эксперимента, обозначения на рисунке: 1-трубчатая
кость, 2-костный мозг, 3-сухожилия, 4-мягкие ткани.
Из ЯМР эхо сигналов Фурье преобразованием формируются спектры, которые
высвечиваются в правой нижней части экрана монитора. Отношение сигнал/шум на спектре
значительно выше, чем на исходном числовом материале (рис. 2). Амплитуда ЯМР сигнала на
спектре запоминается для последующего анализа. Интервал времени между повторной
подачей пары импульсов был равен 4 секундам. За это время протонная намагниченность
тканей переходит в равновесное состояние.
Измерительный цикл определения Т2 составляет 4×40 = 160 секунд. При этом
последовательно возбуждается 39 ЯМР сигналов с циклическим увеличением t интервала
между 90 градусным и 180 градусным импульсами. При 40-ом интервале возбуждающие
импульсы на образец не подаются, и регистрируется уровень электромагнитных шумов,
используемый далее для оценки шумового фона нулевой линии.
В правой верхней части монитора (Рис. 2) отображается последовательность амплитуд
39−и ЯМР сигналов, характеризующая падение протонной намагниченности при
циклическом увеличении t расстояния между импульсами 90-t-180 (вертикальные линии).
Далее методом минимизации квадратичных отклонений вычисляется Т2. Для визуального
контроля степени соответствия расчетных A(ti) и Asi -экспериментальных данных строятся
дополнительные вертикальные линии. Вычисляется средняя квадратичная погрешность (СКО
= dAi) для отклонений экспериментальных амплитуд Asi спектра ЯМР сигнала от
экспоненциальной зависимости. После 10 циклов регистрации Т2i вычисляется среднее
значение Т2(ср), погрешность результата и формируется итоговая таблица данных.
Рис. 2. Контроль процедуры регистрации спин-спиновой релаксации по падению амплитуды
ЯМР эхо сигналов при увеличении интервала между импульсами возбуждения: 1а, 2а, 3а –
ЯМР эхо сигналы; 1b, 2b, 3b – соответствующие спектры эхо сигналов; 4 –
последовательность амплитуд 39 эхо сигналов.
Математическая обработка последовательности 39 амплитуд сигналов выполнялась с
использованием двух функциональных зависимостей. На первом этапе экспериментальные
данные описывались с помощью одной нормированной экспоненты: A(t) = exp(-t/T2о). В этом
случае хорошо видны систематические отклонения экспериментальных данных от расчетных
значений. При оптимизации одного параметра Т2о минимальное среднее квадратичное
отклонение для ряда участников эксперимента, как правило, примерно равно: СКО ≈ 6 %, что
на порядок превышает уровень влияния случайных электромагнитных полей. Однако этот
параметр Т2o представляет определенный интерес как усредненный результат оценки спинспиновой релаксации для сравнительных сопоставлений.
Затем, используется описание падения амплитуд эхо сигналов с помощью двух
экспонент: A(t) = Ca×exp(-t/T2a) + (1 – Ca)×exp(-t/T2b). При этом отклонение
экспериментальных амплитуд от оптимизированных расчетных данных уменьшается до: СКО
≈ 1 %, что примерно вдвое выше влияния случайных электромагнитных полей.
В таблице 1 представлены типичные результаты регистрации времен релаксаций Т2о,
Т2а, Т2b ряда здоровых добровольцев. Данные расположены в последовательности 1 – 8 с
увеличением возраста участников эксперимента. Были выполнены повторные регистрации
томограмм с изменением интервалов между импульсами. Из анализа томограмм следует: оба
представленных в таблице 1 параметра T2a и T2b относятся как к тканям костного мозга, так
и к мягким мышечным тканям.
Таблица 1. Результаты исследования уменьшения ЯМР сигналов от живых тканей
Наличие, в основном, двух протонных подсистем и необходимость использования
зависимости:
A(t) = Ca×exp(-t/T2a) + (1 – Ca)×exp(-t/T2b) хорошо согласуется со
спектральными исследованиями. Спектры, получаемые с помощью ЯМР томографа с
высоким полем от аналогичных живых тканей, содержат две доминирующие спектральные
линии, соответствующие
протонам воды и протонам, связанным с атомами углерода.
Причем, сигнал от протонов, связанных с атомами углерода, регистрируется более узкий по
ширине сигнал, чем для протонов воды. Следовательно, определяемая в нашем эксперименте
величина Т2аi относится к релаксации протонов воды, а Т2bi – к релаксации, в основном,
протонов, связанных с атомами углерода.
Эти данные (табл. 1) отражают следующее: в зоне регистрации мини ЯМР томографа
находится примерно ≈ 61 % протонов воды (в основном, внутриклеточная вода) и ≈ 39 %
протонов связанных с атомами углерода: в основном, в липидных соединениях (протоны
−СН2− групп).
4. Обсуждение результатов. Возрастные изменения живого организма часто
сопровождаются развитием остеопороза: уменьшением плотности костной ткани всех костей
человека. Причем, болезнь развивается незаметно и оказывается причиной тяжелых
травматических переломов. В настоящее время для оценки уровня развития остеопороза
используют специальные денситометрические рентгеновские установки. Но обычно их
используют уже на достаточно запущенной стадии этой болезни.
Из исследования томограмм (Рис. 1) следует, что и при регистрации небольшой части
костной ткани человека можно контролировать развитие остеопороза. Развитие остеопороза
сопровождается увеличением пористости костной ткани. Поры заполняются мягкой
соединительной тканью, что, соответственно, сопровождается повышением локальной
интенсивности ЯМР от костной ткани. Учитывая абсолютную безвредность ЯМР метода и
простоту прибора, аналоги подобного мини ЯМР томографа могут найти широкое
применение для обследования потенциально опасных групп населения по выявлению
начальных признаков остеопороза.
Время спин-спиной релаксации протонов дистиллированной воды равно примерно Т2 ≈
500 мс и зависит от степени глубокой очистки воды (в частности, Т2 зависит от концентрации
растворенного кислорода). В живых тканях оно уменьшено более чем на порядок. Наиболее
типичными для студентов являются данные: Т2а ≈ 31 ms, Т2b ≈ 130 ms. Однако
индивидуальные отклонения иногда могут достигать 24 % для Т2а и 13 % для Т2b (таблица
1). Очевидно, что данный разброс связан с разной динамической концентрацией
парамагнитных центров. Причина таких больших отклонений связана с биохимическими
особенностями участников эксперимента и указывает на перспективность изучения таких
индивидуальных характеристик.
Рис. 3. Времена спин-спиновой релаксации в норме и при отклонении от нормы из-за
четырехкратного применения тонометра при последовательном определении артериального
давления.
Времена спин-спиновой релаксации (и, в частности, Т2а и Т2b) весьма чувствительны к
среднестатистической концентрации парамагнитных центров, к которым, в частности,
относятся: свободные радикалы; ферменты биохимических реакций, имеющие неспаренный
электрон; молекулы кислорода; атомы металлов, обладающие парамагнитными свойствами,
такими как атомы меди и др.
Времена релаксации протонов липидных соединений Т2b примерно в 4 - 5 раза больше,
чем времена релаксации Т2а протонов воды живых тканей. Протоны молекул воды более
подвижны, чем протоны липидных соединений. Соответственно, спины протонов чаще
испытывают переориентацию относительно внешнего магнитного поля из-за воздействия
парамагнитных центров. Времена релаксации протонов −СН2− групп липидных цепей также
уменьшены из-за присутствия парамагнитных молекулярных соединений, но менее чем для
протонов воды.
Если живые ткани насыщаются кислородом воздуха, то, из-за парамагнетизма
молекулярного кислорода, можно было предполагать о понижении при этом параметров Т2а
и Т2b. Для проверки такого предположения были проведены следующие эксперименты: мы
регистрировали данные для Т2а и Т2b до и после четырехкратного определения
артериального давления участника эксперимента.
Однако, при использовании тонометра с манжетой, перекрывающей поступление
артериальной крови к кисти руки, было замечено, что параметры Т2а и Т2b не
увеличиваются, а наоборот уменьшаются на 9 – 14 процентов, что указывает на увеличение
средней концентрации парамагнитных центров. Эти данные представлены на Рис. 3. Из этих
данных следует, что из-за частичной гипоксии тканей кисти руки проявляется повышение
среднестатистической концентрации парамагнитных центров.
Такая экспериментальная зависимость может иметь следующее объяснение.
Парамагнитные центры имеют высокую химическую активность: их атомные и молекулярные
соединения, как правило, взаимодействуют друг с другом. Поэтому, насыщение живых
тканей кислородом не обязательно должно приводить к суммарному увеличению средней
плотности парамагнитных центров.
В клетках живого организма происходит непрерывное возникновение свободных
радикалов (в частности, под влиянием естественного радиационного фона). Как правило,
свободные радикалы представляют собой небольшие отрезки белков, имеющих активный
центр с неспаренным электроном. В ряде работ было отмечено, что свободные радикалы
способны захватывать внутриклеточный кислород, а при физических нагрузках
взаимодействие свободных радикалов с внутриклеточным кислородом возрастает. В этой
связи была выполнена оценка влияния физической нагрузки на руку участника
эксперимента перед регистрацией Т2а, Т2b. Оказалось, что у некоторых студентов
физическая нагрузка весьма слабо отражается на результатах. Так для первого студента
(таблица 1) данные для Т2а менялись следующим образом: 24(2) ms в состоянии покоя; 25(2)
ms а первые 1-2 минуты после физической нагрузки и 23(2) ms в последующие 3-4 минуты.
Для другого участника эксперимента (четвертого, таблица 1) влияние физической нагрузки
было выявлено более резкое: 31(2) ms в состоянии покоя; 35(2) ms, а первые 1-2 минуты
после физической нагрузки и 25(2) ms в последующие 3-4 минуты.
Такие изменения отражают не только динамику взаимодействия кислорода с другими
парамагнитными центрами, так и в целом эффективность биохимической системы
авторегулирования, характерной для организма участника эксперимента. Таким образом,
можно полагать, что будущее практическое использование явления ЯМР, по всей
вероятности, окажется востребованным в медицинской практике не только в получении
анатомических изображений, но в численных оценках времен релаксаций Т1 и Т2, когда
достаточно использовать более доступные приборы.
Литература
1. Ю.И. Неронов, В. К. Иванов. “Разработка мини ЯМР томографа для учебных и
научно-исследовательских целей”. Журнал “Научное Приборостроение”. 2006, том
16, № 2, стр., 51–56.
2. Ю.И. Неронов. Магнитный резонанс в томографии и в спектральных исследованиях
тканей живого организма. Учебное пособие. Изд. СПбГУ ИТМО, 120 стр., 2007 г.
3. Неронов Ю.И., “Мини ЯМР томограф и некоторые возможности диагностики
состояния живых тканей”, Сборник докладов: “Магнитный резонанс и его
приложение”, Материалы конференции (4-ая Зимняя молодежная школаконференция), СПб, 3-7 декабря 2007 год, стр. 37 – 40. Издание СПбГУ.