Управление контрастом в магнитно-резонансной томографии в полях 0,5 и 7 тесла
На правах рукописи
Гуляев Михаил Владимирович УПРАВЛЕНИЕ КОНТРАСТОМ В МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ В ПОЛЯХ 0,5 и 7 ТЕСЛА
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
03.01.02 – биофизика Москва – 2013 2
Работа выполнена на кафедре медицинской физики физического факультета и в лаборатории магнитной томографии и спектроскопии факультета фундаментальной медицины федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова".
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Пирогов Юрий Андреевич
Официальные оппоненты: Иванов Андрей Валентинович, доктор физико-математических наук главный научный сотрудник ГНЦ лазерной медицины ФМБА, РОНЦ им. Н. Н. Блохина РАМН Тихонов Александр Николаевич, доктор физико-математических наук профессор кафедры биофизики физического факультета МГУ
Ведущая организация: Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И.Пирогова
Защита состоится «21» февраля 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.96 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.12, Биологический факультет МГУ, ауд. 389.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУ имени М.В.
Ломоносова.
Автореферат разослан «_» января 2013 года
Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Страховская М.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы В настоящее время магнитно-резонансная томография (МРТ) является высоко востребованным методом медицинской диагностики благодаря безопасности и высокой информативности исследования. Обследование методом МРТ включает выполнение нескольких режимов сканирования, каждый из которых нацелен на выявление распределения одного из физических параметров – протонной плотности, времен релаксации – продольного 1 или поперечного 2. Для реализации этих режимов задаются параметры сканирующей импульсной последовательности (ИП) – в частности, интервалы между запусками радиочастотных (РЧ) импульсов - TR, интервал между запуском импульса и началом считывания сигнала -.
Как показывает практика, этих режимов недостаточно для диагностики зоны поражения. Поэтому применяют дополнительные ИП, дающие более отчетливую ее визуализацию за счет подавления сигналов нормальной (непатологической) ткани. Но это приводит к увеличению общего времени обследования, что не всегда приемлемо, особенно при исследовании пациентов, находящихся в тяжелом состоянии.
В связи с этим актуальным является определение наиболее оптимального алгоритма проведения МРТ исследования и подбора параметров ИП с целью повышения информативности и минимизации общего времени обследования.
Одним из путей реализации данного алгоритма является применение контрастных агентов, способствующих лучшей визуализации зоны поражения. В качестве такого агента обычно применяется парамагнитное вещество, содержащее ионы гадолиния (Gd3+), которое вводится внутривенно. Парамагнетик через кровоток доставляется в зону поражения, что приводит к сокращению времени релаксации T для тканей этой зоны. В результате происходит повышение сигнала зоны поражения на режимах с коротким TR – т.н. Т1-взвешенных изображениях (T1ВИ).
Проникновению контрастного агента в зону поражения способствует ослабление гематоэнцефалического барьера в данной области.
В качестве контрастных агентов применяют и другие препараты, например, на основе ферромагнетиков, которые способны накапливаться в нормальных тканях. Это приводит к сокращению времени T2, снижению сигнала от нормальных тканей и лучшей визуализации зоны поражения. Подобные препараты пока недостаточно апробированы в практике МРТ. Поэтому представляется актуальным определить их реальные практические возможности на лабораторных животных. Кроме того, для управления тканевым контрастом в МРТ интересно применить комбинацию двух типов контрастных веществ – парамагнитных и ферромагнитных.
Именно эти актуальные направления исследований стали целью настоящей работы. Таким образом, в работе предпринимается попытка разработать методику управления тканевым контрастом, для того, чтобы на МРТ-изображениях можно было бы наилучшим образом выявить область интереса (определенную ткань, орган, патологическое образование), незатененную интенсивными сигналами нормальных тканей за оптимальное время МРТ обследования. Такие изображения предлагается получить различными способами: обычным МРТ сканированием, применяя ИП со специально подобранными параметрами, с помощью алгебраических операций с изображениями, используя контрастные агенты, а также комбинации этих способов.
Разработка методики проводилась по следующим направлениям:
а) апробацию ИП проводить при МРТ исследованиях человека, так как для этого не требуется анестезия, что совершенно необходимо при исследованиях животных;
б) апробацию новых контрастных агентов для МРТ, побочные эффекты которых не всегда можно сразу выявить, проводить на лабораторных животных.
Цель работы: разработка новых методов визуализации в МРТ. Это подразумевает расчет параметров ИП, оптимизацию аппаратурных конфигураций оборудования, подбор алгоритмов обработки данных и методов их визуализации.
Развиваемые методы нацелены на оптимизацию процесса МРТ, сокращение времени исследования, повышение его информативности.
Решаемые задачи Работа проводилась в рамках клинических исследований человека, а также при разработке ряда научно-исследовательских проектов, объектами которых были лабораторные животные. Решались следующие задачи:
1. Анализ возможностей сканирующих ИП для уточнения тканевого контраста в зоне интереса на слабопольном (0,5 Тл) и высокопольном (7Тл) томографах.
2. Использование методов селекции тканей по временам релаксации для лучшей визуализации зоны интереса за счет подавления мощных сигналов окружающих нормальных тканей.
3. Применение алгебраических операций с МРТ-изображениями для упрощения картины тканевого контраста и лучшей визуализации зоны поражения.
4. Апробация разработанных методик при МРТ исследованиях человека и лабораторных животных с различного рода патологиями: ишемия головного мозга, онкологические заболевания и др.
5. Применение в экспериментах на крысах контрастных агентов на основе гадолиния, оксида железа и марганца для оценки их диагностических возможностей.
Научная новизна работы 1. Проанализированы МРТ-изображения, полученные аппаратным способом, и с помощью их эмуляции – производные алгебраических операций с изображениями от различных режимов сканирования. Показано, что они имеют не только визуальное сходство, но и сходное расчетное распределение тканевого контраста.
2. Показано, что с помощью алгебраических операций с данными от стандартных режимов сканирования можно получить дополнительную информацию о тканевом составе исследуемого объекта. За счет применения алгебраических операций сокращается время МРТ исследования, устраняется субъективный фактор.
3. Продемонстрирована эффективность использования разработанных методик при МРТ исследованиях человека и животных, включая эксперименты по локальной ЯМР -спектроскопии. Даны практические рекомендации их применения при исследованиях ряда патологий: ишемия мозга, онкология и др.
4. В экспериментах на крысах показано, что комбинированное применение контрастных агентов на основе гадолиния и оксида железа позволяет наиболее отчетливо выявить как границу зоны поражения, так и ее внутреннюю структуру.
5. Обнаружен эффект уменьшения времени релаксации T1 в зоне локализации глиомы C6, привитой лабораторным животным, после введения сульфофталоцианина марганца (SO3Na)2,5-PcMnOAc, что улучшает визуализацию опухоли.
Теоретическая и практическая значимость Теоретическая значимость работы состоит в том, что в ней дано обоснование применения алгебраических операций с МРТ-изображениями, с помощью которых возможна эмуляция как известных режимов, так и режимов, не имеющих реализуемых аналогов, например, режимов с трех- и более компонентным подавлением сигналов от нормальных тканей. Их можно использовать как дополнительный диагностический материал, позволяющий уточнить характеристики и состояние исследуемых структур.
В работе предложена стратегия МРТ сканирования, с помощью которой происходит упрощение картины тканевого контраста, благодаря чему упрощается выявление и диагностика зоны поражения. Предлагается два варианта реализации данной стратегии, основанной на селекции тканей по временам релаксации – сканирование с полным подавлением сигналов от нормальных тканей и сканирование, при котором контраст для нормальных тканей выравнивается.
Практическая ценность работы в том, что показана возможность подавления сигналов от нескольких нормальных тканей с различными временами релаксации T при МРТ сканировании с использованием методики инверсия-восстановление.
Развита методика расчета параметров сканирующей ИП, нацеленной на выравнивание контраста, а также величин МР-сигналов, регистрируемых при реализации данной ИП. Даны практические рекомендации применения развиваемых методов для МРТ исследования как человека, так и лабораторных животных.
В ходе экспериментов на лабораторных животных апробированы новые контрастные вещества. Подана патентная заявка на изобретение контрастного агента для МРТ на основе сульфофталоцианина марганца - Рег. № 2012133207 от 03.08.2012.
Есть веские основания полагать, что разработанные в работе методики будут полезными не только для Лаборатории магнитной томографии и спектроскопии факультета фундаментальной медицины МГУ, но и для других научных подразделений, обладающих аналогичным оборудованием – ТИБОХ ДВО РАН (Владивосток), МНТЦ РАН (Новосибирск), РНИМУ им. Н.И. Пирогова (Москва).
Основные положения, выносимые на защиту 1. Упрощение картины тканевого контраста за счет оптимизации параметров МРТ сканирования – эффективный путь выявления зон поражения.
2. Импульсные последовательности, действующие на основе метода инверсия восстановление, обеспечивают селекцию тканей по временам релаксации.
3. Эффективным методом исследования является применение ИП, обеспечивающей одновременное подавление сигналов от нескольких нормальных тканей.
4. Алгебраические операции с МРТ-изображениями от различных режимов сканирования дают дополнительную диагностическую информацию.
5. В качестве контрастных агентов, позволяющих улучшить визуализацию зоны поражения, эффективно применение не только парамагнетиков на основе гадолиния, но и парамагнетиков на основе марганца, а также ферромагнитных веществ.
Перспективно применение комбинации из разных типов контрастных агентов.
6. Локальная in-vivo ЯМР-спектроскопия дает полезную информацию о структурном составе зоны поражения и метаболизме.
Апробация работы Материалы диссертации были представлены:
на Ломоносовских чтениях: физфак МГУ: Москва, (2008, 2012);
на международных конференциях: EUROMAR-2008, NMRCM-2009, на Всероссийской конференции «Опухоли головы и шеи»: Сочи (2009);
на III Евразийском конгрессе по медицинской физике: Москва, (2010);
на 8-ой международной конференции по научным и клиническим применениям магнитных носителей: Росток (ФРГ), (2010);
на летней школе ЯМР: химфак МГУ: Москва, (2010, 2011);
на V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине»: Троицк, (2012).
Публикации По теме диссертации опубликованы 22 работы, из них 9 - в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК. Кроме того, опубликовано 13 тезисов докладов.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и выводов. Она содержит 114 страниц, 56 рисунков и список литературы из 118 наименований.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Диссертационная работа проводилась по следующим направлениям:
а) отработка приемов, повышающих эффективность МРТ исследований, на слабопольном (0,5 Тл) томографе и их апробация при МРТ исследованиях человека;
б) внедрение и доработка указанных приемов при исследованиях лабораторных животных на сильнопольном (7 Тл) томографе.
В качестве оборудования были использованы томографы фирмы Bruker – Tomikon S50 и BioSpec 70/30. МРТ исследования человека выполнялись в рамках медицинской диагностики, проводимой в кооперации с НП НЦ «Современная диагностика». В качестве животных использовались половозрелые крысы-самцы Wistar массой 190-220 г. Животных содержали в стандартных условиях вивария при естественном освещении и свободном доступе к воде и пище. Исследования проводили в соответствии с правилами, принятыми Европейской конвенцией по защите животных, используемых для экспериментальных целей (Страсбург, 1986).
Краткое изложение работы Управление контрастом в МРТ необходимо для выявления патологических тканей и уточнения их локализации на фоне нормальных (неизмененных) тканей. Для этого в МРТ используются специальные ИП, с помощью которых осуществляется подавление сигналов нормальных тканей. В результате устраняется фон от мощных сигналов, определяющих шкалу яркости на обычных МРТ-изображениях, и улучшаются условия визуализации слабых вариаций контраста в зоне патологии.
Хорошие результаты для этого дает применение ИП, работающих по методике инверсия-восстановление. В данной ИП перед считывающим 900 РЧ импульсом подается инвертирующий 1800 импульс. Импульсы разделены интервалом TI – время инверсии. В этом случае к моменту t=TI для продольной намагниченности Mz, которая возвращается из инверсного состояния в равновесное, имеем:
Mz(t) = M0[1 – 2exp(–TI/T1)], где M0 – равновесная ядерная намагниченность.
Поскольку считывающий импульс переводит в поперечную Mz намагниченность, дающую сигнал ЯМР в приемной катушке, то можно подавить сигнал от ткани с определенным временем релаксации T1, если задать TI равным:
TI = T1 ln2 = 0,69 T1. (1) Этот принцип используется в ИП FLAIR (Fluid Attenuated Inversion Recovery), STIR (Short Time Inversion Recovery), которые применяют для подавления сигналов от спинномозговой жидкости (СМЖ) и жировой ткани соответственно.
Однако практика МРТ исследований показала, что в ряде случаев, например, при исследовании орбит, подавление только одного тканевого компонента, не всегда позволяет преодолеть проблемы надежной визуализации измененной ткани.
Например, при исследовании зрительного нерва нежелательный фон образуют сигналы от жидкости в глазных яблоках и жировой ткани в орбитах.
В современных МР-томографах предусмотрена модификация импульсной последовательности, когда в нее вводится дополнительный РЧ импульс, обеспечивающий частотно-селективное насыщение жировой ткани - FatSat. Если в качестве такой ИП используется FLAIR, то при МРТ сканировании происходит одновременное подавление сигналов жира (ткани с определенным химическим сдвигом) и жидкости (ткани с заданным 1).
Предварительные МРТ эксперименты на 0,5 Тл томографе показали, что такой импульс не дает однородного по зоне сканирования возбуждения спинов из-за недостаточной однородности поля. В слабых полях к тому же длительность импульса из-за требований к его селективности оказывается неприемлемо большой.
Поэтому для одновременного подавления сигналов воды и жира применен метод двойной инверсии DIR (Double Inversion Recovery). Его схема следующая:
1800 - TIW - 1800 - TIF - 900 - считывание МР-сигнала, (2) причем TIW TIF. Подбором TIW, TIF – можно синхронизовать переход через ноль намагниченностей воды и жира и в результате подавить сигналы от них.
При TR TIW TIF для этого следует задать TIW, TIF аналогично (1):
TIW,F = 0,69 T1W,F (3) Помимо полного подавления сигналов от нормальных тканей полезный результат можно получить и при неполном их подавлении. Было замечено, что при специальном подборе TI ткани с определенным временем T1 оказываются неразличимыми на МРТ-изображении из-за равенства сигналов от них. Такой способ управления тканевым контрастом можно назвать методом выравнивания контраста – c помощью сканирующей ИП получают одинаковый МР-сигнал разных нормальных тканей, и, следовательно, одинаковый контраст на МРТ-изображении. Применение данной методики также проводилось для ИП инверсия-восстановление.
Подавление сигналов нормальных тканей при исследованиях человека Обычно методика инверсия-восстановление применяется для подавления сигналов от тканей, дающих избыточно яркий сигнал на МРТ-изображении. К ним относятся ткани не только с коротким временем T1 – жировой ткани, но и ткани с большими временами релаксации: СМЖ, жидкость в орбитах и др.
В ходе работы на 0,5 Тл томографе получены МРТ-изображения головного мозга человека (рис.1) в режимах градиентного эха GE (T1ВИ) и STIR. Для реализации STIR применялось TI = 0,08 с.
Выше рассматривался случай, когда времена релаксации у патологической ткани и нормальной были различны. В ряде случаев отличия во временах релаксации могут быть несущественными как, например, для ликворных кист, СМЖ. В этом случае для точного определения границ интересующих структур, необходимо провести выравнивание контраста между этими структурами и соседними тканями.
GE STIR Рис. 1. Выявление липомы с использованием STIR. Образование, отмеченное стрелкой, на T1ВИ (GE) дает высокий сигнал, а на STIR низкий, что указывает на высокое содержание жира, характерное для липомы.
Пример визуализации ликворных кист, граничащих с желудочками мозга, показан на рис. 2. На T2ВИ, FLAIR и DIR (TI1/TI2 = 1,3/0,08 с) желудочки мозга и ликворные кисты имеют одинаковый контраст – в первом случае дают высокий, а во втором – низкий сигнал. Они хорошо видны на фоне белого вещества, но надежно определить их границы довольно трудно. При выравнивании контраста между белым веществом и СМЖ границы кист и желудочков уже видны отчетливо. Выравнивание контраста достигнуто за счет использования ИП DIR (TI1/TI2 = 1,05/0,08 с).
DIR(TI1=1,3 с) DIR(TI1=1,05 с) T2ВИ FLAIR Рис. 2. Визуализация ликворных кист, граничащих с желудочками мозга.
Импульсную последовательность DIR можно использовать для подавления сигналов не только от жира и свободной воды, но и других тканевых компонентов, например, частично связанной жидкости, содержащейся в слизистой носа, что полезно при исследовании воспалительных изменений в области пазух и орбит (рис. 3). Время релаксации T1 для слизистой составляет 0,7 с, поэтому для подавления сигнала от нее методом инверсия-восстановление время TIW задавалось равным 0,55 с.
T2ВИ DIR(TIW=0,55с) Рис. 3. Визуализация зрительных нервов на T2ВИ и DIR с одновременным подавлением сигналов жира и слизистой носа.
Управление тканевым контрастом в экспериментах на животных в поле 7 Тл Чувствительность 0,5 Тл МР-томографа недостаточна для исследования малых объектов. Поэтому МРТ эксперименты на лабораторных животных проводились на высокопольном (7 Тл) томографе. Была поставлена задача адаптировать ИП, отлаженные на 0,5 Тл томографе, для их применения в поле 7 Тесла. В частности, учесть то, что времена релаксации увеличиваются с ростом поля.
Одна из проблем перехода к высоким полям состоит в том, что при увеличении поля возрастают химические сдвиги и связанные с ними артефакты. Их компенсация требует применения более мощных как радиочастотных, так и градиентных полей. Но при этом возрастает паразитный вклад полей рассеяния, увеличивается радиочастотная нагрузка на объект. Поэтому потребовалась отладка сканирующих импульсных последовательностей. Основное внимание было уделено реализации метода инверсия-восстановление, поскольку для этого метода фирма производитель не предоставила протоколов или хотя бы рекомендаций.
Однако выяснилось, что в поле 7 Тл РЧ поле B(t), формируемое объемным резонатором, весьма неоднородно. Поэтому не удалось получить равномерную по зоне сканирования инверсию от импульсов с обычной гладкой формой огибающей, например, эрмитовой, дающей хорошие результаты в поле 0,5 Тл.
Приемлемые результаты на 7 Тл были получены от импульса, известного под названием sech-импульс, поскольку при описании временной зависимости его амплитуды A(t) и фазы (t) фигурирует гиперболический секанс. Они зависят от времени следующим образом: A(t) = A0sech(t), (t) = ln[sech(t)] + lnA0. Или в символической записи B(t) =[A0sech(t)]1+i.
Импульс с такими параметрами замечателен тем, что если им воздействовать на спиновую систему, то начиная с некоторого уровня РЧ мощности, угол отклонения вектора намагниченности (FA) оказывается близким к 1800. И дальнейшее увеличение мощности слабо влияет на величину FA. Этим объясняется эффективность sech импульса при работе в неоднородном РЧ поле. На рис. 4 справа представлено МРТ изображение головного мозга крысы, полученное с помощью ИП FLAIR, где в качестве инвертирующего использовался sech-импульс. На T2ВИ ишемический очаг дает высокий, а на FLAIR – низкий сигнал.
T2ВИ FLAIR Рис. 4. Головной мозг крысы с инсультом в области правого полушария спустя месяц после образования ишемического очага. Область инсульта показана стрелкой.
Экспериментально была подобрана длительность sech-импульса – 14 мс с учетом того, что на резонатор подается мощность, не превышающая 1 кВт. При данной длительности можно не учитывать релаксационные процессы, протекающие во время формирования импульса. Судя по монитору, отслеживавшего дыхание и сердечный ритм животных, их состояние не менялось, что дает основания считать, что РЧ нагрузка не выходила за безопасные пределы.
Одновременное подавление сигналов воды и жира в поле 7 Тл Упрощение картины тканевого контраста за счет подавления сигналов от нормальных тканей полезно и при исследованиях животных. Поэтому анализировалась возможность применения в этих исследованиях ИП, обеспечивающих одновременное подавление сигналов воды и жира.
Применение методики хорошо зарекомендовавшей себя при DIR, исследованиях человека в поле 0,5 Тл, было признано нецелесообразным. Причина – увеличение времени сканирования из-за присущего методу DIR снижения сигнала на 33%. При работе с лабораторными животными, которые должны находиться под анестезией, временной фактор имеет существенное значение. Поскольку в DIR подавляются ткани с коротким временем 1, то интерпретация данных может быть неоднозначной, например, при использовании контрастных агентов – снижение сигнала возможно и от накопления контрастного агента в нормальной ткани.
От указанных недостатков свободен метод FatSat, основанный на частотно селективном насыщении пика жира, положение которого смещено относительно пика воды на 3,5 м.д. Метод реализуется путем приложения 900-ого импульса с гладкой формой огибающей. Применение этого метода в слабых полях (в частности, 0,5 Тл) затруднено, поскольку длительность импульса оказывается неприемлемо большой – соизмеримой с временами релаксации. Там для хим. сдвиговой селекции более приемлемым оказалось использование метода Диксона, основанного на фазовом разделении сигналов от прецессирующих спинов.
Метод FatSat легко комбинируется с другими методами, в том числе и инверсия-восстановление, путем внедрения в ИП частотно-селективного импульса. В данной работе хорошие результаты были получены при использовании импульса гауссовой формы длительностью 2,2 мс – рис. 5.
IR + FatSat T2ВИ FLAIR STIR Рис. 5. Визуализация орбит у крысы с инсультом. Стрелки указывают: сплошная – зона инсульта, пунктирная – жировая клетчатка.
Применение алгебраических операций с МРТ-изображениями Проблемой МРТ является сравнительно большое время сканирования, более детальные исследования требуют осуществления дополнительных режимов с соответствующим увеличением времени. Поэтому важно так подобрать режимы сканирования, чтобы за разумное количество времени получить максимум информации о тканевом составе исследуемого объекта.
При визуальном сопоставлении изображений, полученных при разных режимах сканирования (T1ВИ, T2ВИ), не всегда возможно выявить различия контраста в проблемной зоне. Поэтому представляет интерес разработка метода автоматической, т.е. свободной от субъективных факторов, обработки изображений, позволяющей подчеркнуть эти отличия. Наиболее простым методом такой обработки является вычитание изображений, т.е. построение разностного изображения, у которого яркость пикселя пропорциональна разности яркостей пикселей одинаковой локализации от исходных (сравниваемых) изображений.
Смысл обращения к алгебраическим операциям состоит в том, чтобы напрямую провести дифференциацию тканей, а также эмулировать изображения от различных режимов сканирования, включая те, которые невозможно реализовать аппаратурными средствами. Сопоставление изображений, полученных с помощью алгебраических операций, с расчетными значениями МР-сигнала позволяет выявить особенности в распределении контраста и дать для этого возможное диагностическое обоснование.
Удобно использовать для алгебраических операций данные от режимов, которые отличаются лишь способом воздействия на продольную намагниченность Mz. Например, обычные 2ВИ и их модификации, реализующие метод инверсия восстановление – IR. Тогда для оценки сигнала достаточно рассчитать величины Mz перед этапом его считывания, т.е. перед воздействием РЧ импульса преобразующего продольную намагниченность в поперечную. Приведем результаты расчетов для режимов, наиболее востребованных при исследовании головного мозга:
1 – exp(–TR/T1);
T2ВИ 1 – 2exp(–TI/T1) + exp(–TR/T1).
IR Для алгебраических производных от изображений, полученных от данных режимов, которые далее обозначим через A и B, имеем следующие зависимости яркости пикселей от T1:
||1 – exp(–TR/T1)| – |1 – 2exp(–TI/T1) + exp(–TR/T1)||;
A–B ||1 – exp(–TR/T1)| – |1 – 2exp(–TI/T1) + exp(–TR/T1)| (A–B)B |1 – 2exp(–TI/T1) + exp(–TR/T1)||.
На рис. 6 приведены графики зависимости |Mz| от T1 для режимов T2ВИ (A) и IR c различными TI: 1,3 с (B), 0,08 с (C), а также режима DIR (E) с TI1 = 1,3 c, TI2 = 0,08 c и некоторых алгебраических производных: D = A–B;
F = (A–B)B. Под режимами B и C подразумеваются FLAIR и STIR соответственно. Знак модуля означает, что рассматриваются лишь магнитудные изображения.
На графиках просматривается сходное поведение |Mz| для режима STIR (C) и разности |Mz| для T2ВИ и FLAIR. Это дает основание полагать, что вычитание одинаково локализованных изображений T2ВИ и FLAIR даст изображение с характеристиками, аналогичными режиму STIR. Можно заметить, что эмуляцию режима DIR можно получить с помощью операции (T2ВИ – FLAIR)FLAIR.
|Mz|(T1) A B C 0, D E 0, F 0 T1, c Рис. 6. Зависимость |Mz| от времени релаксации T1 для различных режимов сканирования и алгебраических операций с ними.
Алгебраические операции с МРТ-изображениями при исследованиях человека Апробация предлагаемого способа проводилась на материалах исследований головного мозга. Для алгебраических операций применялось стандартное для томографа Tomikon S50 (Брукер) программное обеспечение.
На рис. 7 представлены МРТ-изображения головного мозга режимов T2ВИ и FLAIR. На них выявляется некоторое образование в правой половине четверохолмной цистерны (указано стрелкой). Использование режима STIR наглядно демонстрирует резкое снижение интенсивности МР-сигнала от выявленной опухоли, что является типичным признаком липомы. Аналогичный результат получен и путем математической операции с данными T2ВИ–FLAIR.
A–B A = T2ВИ B = FLAIR STIR Рис. 7. Выявление интракраниальной липомы с использованием режима STIR и вычитания изображений T2ВИ–FLAIR.
На рис. 8 представлен еще один пример диагностического применения использования режима инверсия-восстановление и алгебраических операций с изображениями. Анализируя изображения от режимов T2ВИ и FLAIR, возникло подозрение на то, что зона поражения представляет собой очаг кровоизлияния.
Чтобы наиболее наглядно показать эту зону был запущен режим DIR для одновременного подавления сигналов воды и жира. Отсутствие сигнала от зоны поражения указывало на присутствие в этой зоне смеси свободной жидкости и жира.
По совокупности признаков можно заключить, что зона поражения представляет собой дермоидную, скорее всего врожденную кисту с вкраплением жидкости. На это указывает высокий сигнал на изображении (A–B), эмулирующем режим STIR.
(A – B)B A–B A = T2ВИ B = FLAIR DIR Рис. 8. Исследование дермоидной кисты с помощью стандартных режимов, метода DIR и алгебраических операций с изображениями.
Поскольку при подавлении сигнала только одного нормального тканевого компонента не происходит подавления всех сигналов даже от локальных участков зоны поражения, то гетерогенная комбинация жира и воды в зоне поражения существенно отличается от нормального распределения этих компонентов для внутричерепных структур. Именно эта особенность может быть предметом анализа.
На изображении, полученном с использованием алгебраической операции (T2ВИ–FLAIR)FLAIR, зона поражения представлена гиперинтенсивным сигналом на фоне выровненного контраста. То есть, произведено селективное выделение (а не подавление, как в DIR) этих двух компонент (воды и жира) одновременно.
Алгебраические операции с МРТ-изображениями при исследованиях животных Успешное применение алгебраических операций с изображениями при МРТ исследованиях человека дало основания считать, что этот метод окажется полезным при исследованиях лабораторных животных. Апробация метода проводилась при исследовании головного мозга крыс. Исследовалась зона поражения в области правого полушария, возникшая спустя месяц после ишемии – рис. 9.
Помимо стандартных 2ВИ () были получены изображения с применением метода инверсия-восстановление с TI = 1,3 с (B) и 0,8 с (B*) для подавления сигналов зоны ишемии и белого вещества, соответственно. Наиболее интенсивным сигналом зона интереса представлена на В*. Однако значительный интерес представляет и алгебраические производные от полученных изображений: А–*, А–B, (A–B)B. На расчетных изображениях в зоне поражения можно выявить дополнительные вариации контраста (отмечены стрелками), отображающие неоднородный состав этой зоны.
B* (TI = 800 мс) A = T2ВИ B = FLAIR A–B (A – B)B A – B* Рис. 9. Головной мозг крысы с инсультом в правом полушарии. Представлены изображения от реальных режимов сканирования и их алгебраических производных.
Таким образом, изображения, получаемые от алгебраических операций, могут быть использованы как дополнительный диагностический материал. Представленный метод способствует получению дополнительной информации о тканевом составе исследуемого объекта, сокращению времени на МРТ исследование, устранению субъективного фактора при сопоставлении МРТ-изображений. Метод прост в реализации, имеет значительный потенциал для развития, может быть востребован для автоматизации распознавания патологически измененных структур.
Применение контрастных агентов при МРТ исследованиях животных Контрастные агенты применялись в рамках динамического МРТ исследования модельной опухоли глиомы C6 на крысах Wistar с инокулированной интракраниально в головной мозг взвесью 400 тысяч клеток в 5 мкл среды RPMI в зависимости от введенного контрастного агента. МРТ эксперименты проводили через 7 дней после инокуляции опухоли. Для обездвиживания животных использовалась парогазовая смесь «Форан», подаваемая в зону расположения головы животного.
При МРТ исследовании глиомы C6 применялись Gd-содержащий контрастный агент (CA) – Магневист (пр-во «Шеринг») (M) и декстран-магнетит (DM). Последний позиционируется как негативный CA, снижающий сигнал от нормальных тканей. DM представляет собой смесь наночастиц размерами 120-240 нм. Каждая из них содержит ядро – кристалл Fe3O4, окруженное молекулами декстрана – полисахаридами с молекулярной массой ~70 кДа. DM был предоставлен сотрудниками РОНЦ им.
Н.Н.Блохина. Особенностью применения DM как CA является значительное время внедрения в организм – более 24 часов и медленное выведение из организма.
SE SE + M SE + DM SE + DM + M Рис. 10. МРТ-изображения головного мозга крысы с глиомой C6.
На рис. 10 представлены изображения мозга крысы с глиомой C6. До введения контрастных агентов опухоль на T1ВИ (спиновое эхо SE) практически не визуализируется (сплошная стрелка). Однако после введения M появляется область отека и сама опухоль (SE + M). Если после выведения M ввести DM, начинает визуализироваться капсула (пунктирные стрелки), в которой заключена область распада опухоли (сплошная стрелка). Тем самым совместное введение DM и M позволяет четко визуализировать всю зону поражения, включая капсулу.
В ходе работы были проанализированы контрастные агенты на основе других парамагнетиков – соединений марганца. Эти вещества выводятся из организма с меньшей скоростью (2-4 часа), чем известные Gd-содержащие агенты (15-30 минут), это создает более благоприятные условия для детальных исследований.
В качестве контрастного агента для МРТ наилучшим образом проявил себя сульфофталоцианин марганца: (SO3Na)2,5-PcMnOAc. Вещество представляет собой стабильную смесь молекул со средней степенью сульфирования 2,5. Эта субстанция хорошо растворима в воде, и для внутривенного введения был приготовлен ее водный раствор с концентрацией 10 мг/мл. Водимая доза составляла 40 мг/кг веса крысы.
Получены T1ВИ с использованием ИП MDEFT (Modified Driven Equilibrium Fourier Transform). Глиома C6 после введения контрастного агента (CA) имеет гиперинтенсивный сигнал и визуализируется как яркое образование (рис. 11 справа), в то время как до введения (рис. 11 слева), она имеет гипоинтенсивный сигнал и по яркости более темная на фоне прилегающих здоровых тканей мозга.
Хорошая визуализация глиомы после введения контраста обусловлена изменением ее времени T1 с 2,5 до 1,5 с, что было определено с помощью стандартных релаксационных МРТ измерений.
MDEFT MDEFT + CA Рис. 11. Мозг крысы с глиомой C6 (показана стрелкой) в режиме MDEFT. Слева: до введения контрастного агента. Справа: спустя 2 часа после его введения.
Применение ЯМР-спектроскопии при исследовании глиомы C Развитые методы МРТ визуализации позволили уточнить локализацию зоны поражения при постановке экспериментов по локальной in vivo H ЯМР спектроскопии. Такого рода исследования необходимы для анализа метаболитов как маркеров, характеризующих структурные особенности этой зоны.
На рис. 12 представлены спектры H головного мозга крысы в области нормальной (непатологической) ткани (до инокуляции опухоли) и в зоне самой глиомы C6. Локализация зоны интереса размерами 2,62,62,6 мм осуществлялась за счет применения в ИП PRESS (Point Resolved Spectroscopy) градиентных полей.
7 дней после 14 дней после До инокуляции глиомы инокуляции инокуляции ppm ppm ppm Рис. 12. Динамика спектров 1H от участка мозга крысы в зоне локализации глиомы.
При сопоставлении спектров здорового участка мозга и зоны поражения при глиоме C6 отмечалось существенное повышение пика лактата (Lac). Кроме того, отмечается снижение пиков N-ацетиласпартата (NAA), креатина (Cr), холина (Cho).
Интерпретация данных о величине сигналов метаболитов спустя 14 дней после инокуляции опухоли затруднена из-за низкого отношения сигнал/шум, а также появления дополнительных пиков, возможно, связанных с продуктами распада опухоли.
Регистрация фосфорных спектров производилась с помощью поверхностной катушки. В связи с этим реализовать методику PRESS невозможно – не удается получить от поверхностной катушки достаточно однородное РЧ поле. Поэтому локализация объема исследования при съемке ЯМР спектров P проводилась путем позиционирования самой катушки относительно зоны интереса. На рис. представлены спектры 31P головного мозга крысы до и после инокуляции глиомы C6.
0 дней 7 дней 14 дней ppm ppm ppm Рис. 13. Динамика спектров 31P от головного мозга крысы до инокуляции глиомы C6, через 7 и 14 дней после инокуляции.
В спектре фосфора P (121 МГц) надежно регистрировались метаболиты:
фосфомоноэфир неорганический фосфат фосфодиэфир (PME), (Pi), (PDE), фосфокреатин аденозинтрифосфат На спектрах мозга, (PCr), (ATP-,,).
пораженного глиомой C6, отмечалось подавление пика PDE и возрастание пика Pi по сравнению с пиком PME. Результаты хорошо коррелируют с известными данными, получаемыми при исследовании аналогичной опухоли – глиобластомы человека.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения настоящей работы сделано следующее:
1. Проанализированы и изучены импульсные последовательности (ИП) МРТ, используемые для улучшения визуализации зоны поражения в случаях ишемии, онкопатологий. В качестве ИП использованы те, которые обеспечивают селекцию тканей по временам релаксации за счет подавления мощных сигналов нормальных тканей, препятствующих визуализации зоны поражения.
2. Для управления тканевым контрастом с целью улучшения визуализации зоны поражения применены алгебраические операции с данными от стандартных режимов сканирования. Показано, что в результате применения указанных операций возможна эмуляция изображений от диагностически важных режимов сканирования, а также режимов, аппаратурная реализация которых невозможна.
3. Разработаны и оптимизированы протоколы импульсных последовательностей, обеспечивающие получение наиболее информативных изображений. Проведена апробация методик при МРТ исследованиях человека и животных на 0,5 и 7 Тл томографах с различными патологиями: ишемия мозга, онкозаболевания и др.
4. Проведены МРТ исследования животных с применением контрастных агентов на основе гадолиния, оксида железа и водных растворов марганца. Показано, что для лучшей визуализации зоны поражения при глиоме C6 эффективно комбинированное применение контрастных агентов на основе гадолиния и оксида железа.
5. Разработаны практические рекомендации по работе с лабораторными животными – дозировке контрастных агентов и анестезирующих средств.
6. Проведены исследования мозга животных методами локальной in vivo ЯМР спектроскопии. Получены данные о динамике метаболизма в зоне глиомы C6.
ВЫВОДЫ 1. Упростить картину тканевого контраста можно путем селекции тканей по временам релаксации за счет применения импульсных последовательностей (ИП), обеспечивающих либо выравнивание сигналов от нормальных тканей, либо их подавление. Эффективным методом исследования зон поражения является сканирование с применением метода инверсия-восстановление.
2. С помощью импульсных последовательностей, работающих по методике инверсия восстановление, обеспечивается селекция тканей по временам релаксации, за счет чего возможно подавление сигналов двух и более нормальных тканей. В результате упрощается картина тканевого контраста, что способствует выявлению зон поражения.
3. Алгебраические операции с МРТ-изображениями от различных режимов сканирования, осуществленные для одной и той же зоны интереса, дают дополнительную диагностическую информацию. С помощью алгебраических операций возможна эмуляция не только известных режимов сканирования, но и режимов, не имеющих реализуемых аналогов, включая режимы с трех- и более компонентным подавлением нормальных тканей.
4. Комбинированное применение контрастных агентов на основе ферритов и гадолиний содержащих парамагнетиков улучшает визуализацию глиальных опухолей, включая глиому C6, привитую в головной мозг лабораторного животного, что позволяет точнее определить локализацию и структуру зоны поражения.
5. Используя в качестве контрастных агентов вещества, содержащие ионы марганца, можно улучшить МРТ визуализацию опухоли (например, глиомы C6). Перспективно использование водного раствора сульфофталоцианина марганца (SO3Na)2,5-PcMnOAc.
6. Развитые подходы для улучшения визуализации зоны поражения полезны для уточнения зоны исследования методами локальной in vivo ЯМР-спектроскопии, дающей полезную информацию о метаболитах.
Публикации по теме диссертации в журналах из перечня ВАК РФ 1. Анисимов Н.В., Гуляев М.В., Корецкая С.С., Верхоглазова Е.В., Герус М.А., Пирогов Ю.А. Магнитно-резонансная томография всего тела – техническая реализация и диагностические применения // Альманах клинической медицины, 2008, т. 17(1), с. 143-146.
2. Анисимов Н.В., Губский Л.В., Гуляев М.В., Пирогов Ю.А. Визуализация зон поражения головного мозга при использовании алгебраических операций с изображениями в МРТ // Онкохирургия, 2009, №2, с.87.
3. Анисимов Н.В., Буренчев Д.В., Корецкая С.С., Гуляев М.В., Верхоглазова Е.В., Абаншина И.В., Пирогов Ю.А. Математические операции с МРТ изображениями // Медицинская визуализация, 2010, №1, с.117-123.
4. Анисимов Н.В., Корецкая С.С., Гуляев М.В., Верхоглазова Е.В., Пирогов Ю.А.
МРТ-диагностика с использованием алгебраических операций с изображениями // Технологии живых систем, 2010, №2, с.3-9.
5. Гуляев М.В., Какагельдыев С.К., Батова С.С., Анисимов Н.В., Пирогов Ю.А.
Применение релаксационных карт для оптимизации режимов в магнитно резонансной томографии всего тела // Медицинская физика, 2011, №1, с.54-58.
6. Гуляев М.В., Меерович Г.А., Меерович И.Г., Деркачева В.М., Борисова Л.М., Калия О.Л., Лукьянец Е.А., Анисимов Н.В., Ворожцов Г.Н., Пирогов Ю.А.
Сульфофталоцианин Mn в качестве контрастного агента при МР-диагностике опухолей головного мозга крыс // Технологии живых систем, 2012, №7, с.35-39.
7. Гуляев М.В., Анисимов Н.В., Юсубалиева Г.М., Брусенцов Н.А., Самойленко А.А., Пирогов Ю.А. Применение методов ЯМР в исследованиях глиальных опухолей у лабораторных животных // Технологии живых систем, 2012, т. 9 (10), в печати.
8. Юсубалиева Г.М., Баклаушев В.П., Гурина О.И., Гуляев М.В., Пирогов Ю.А., Чехонин В.П. Противоопухолевые эффекты моноклональных антител к внекле точному фрагменту коннексина-43 при индуцированной низкодифференцирован ной глиоме // Клеточные технологии в биологии и медицине, 2012, №1, с. 51-57.
9. Чепурнов С.А., Сулейманова Е.М., Гуляев М.В., Аббасова К.Р., Пирогов Ю.А., Чепурнова Н.Е. Нейропротекторы и эпилепсия // Успехи физиологических наук, 2012, №2, с. 55-70.
Другие публикации автора по теме диссертации 10. Брусенцов Н.А., Брусенцова Т.Н., Пирогов Ю.А., Гуляев М.В., Полянский В.А., Голубева И.С., Никитин П.И., Никитин М.П., Ксеневич Т.И., Юрьев М.В. Неинва зивная оценка концентрации Fe, лимитирующей контрастирование изображений опухолей МРТ-негативными нанопрепаратами // Сб.науч.тр. «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем», 2009, с. 262-267.
11. Anisimov N.V., Gulyaev M.V., Koretskaya S.S., Verkhoglazova E.V., Abanshina I.V., Pirogov Yu.A. Expansion of diagnostic opportunity by means of algebraic operations with MR-images // Proc. NMRCM, 2009, p. 11.
12. Pirogov Y.A., Anisimov N.V., Gubskiy L.V., Gulyaev M.V., Koretskaya S.S., Verkhoglazova E.V., Abanshina I.V. Additional diagnostic possibilities at use of algebraic operations with MR-images // Proc. ESMRMB, 2009, 508, pp. 375-376.
13. Гуляев М.В., Пирогов Ю.А., Брусенцова Т.Н., Брусенцов Н.А. Синтез декстран феррита и раннее МРТ обнаружение опухоли, капсулы и сосудов, питающих опухоль, в эксперименте in vivo // Мат. II конф. «Нанотехнологии в медицине.
Онкология и кардиология», 2009, с. 9-11.
14. Даньшина М.И., Силачв Д.Н., Гуляев М.В., Пирогов Ю.А., Зоров Д.Б., Исаев Н.К. Использование магнитно-резонансной томографии и функциональных тестов для оценки повреждения головного мозга после гипоксии/ишемии новорожденных // XXI-й съезд Физиол. общ-ва им. И.П.Павлова, 2010, с. 33.
15. Даньшина М.И., Силачв Д.Н., Гуляев М.В., Пирогов Ю.А., Зоров Д.Б., Исаев Н.К. Оценка повреждения головного мозга крыс в долговременном периоде после гипоксии-ишемии с использованием сенсомоторных тестов и МРТ // Мат. конф.
"Биология - наука 21 века", 2010, т. 1, с. 122.
16. Гуляев М.В., Таирова Р.Т., Губский Л.В., Пирогов Ю.А., Скворцова В.И.
Разработка и применение протокола сканирования МРТ на экспериментальной модели фокальной ишемии головного мозга крыс // Мат. III Евраз. конгр.
«Медицинская физика-2010», с. 72.
17. Suleymanova E., Gulyaev M., Chepurnova N. Early and late MRI changes in rat brain after prolonged seizures and spatial memory impairment // SiNAPSA Neuroscience Conference, Abstracts, 2011, p. 167.
18. Silachev D., Pevzner I., Zorova L., Plotnikov E., Gulyaev M., Pirogov Y., Isaev N., Skulachev V., Zorov D. New generation of penetrating cations as potential agents to treat ischemic stroke // The FEBS Journal, 2012, 279, p. 364.
19. Chekhonin V.P., Baklaushev V.P., Yusubalieva G.M., Belorusova A.E., Gulyaev M.V., Tsitrin E.B., Grinenko N.F., Gurina O.I., Pirogov Yu.A. Targered delivery of liposomal nanocontainers to the peritumoral zone of glioma by means of monoclonal antibodies against GRAF and the extracellular loop of CX43 // Nanotechnology, Biology and Medicine, 2012, 8(1), p. 63-70.
20. Yusubalieva G.M., Baklaushev V.P., Gurina O.I., Gulyaev M.V., Pirogov Y.A., Chekhonin V.P. Antitumor effects of monoclonal antibodies to connexin extracellular fragment in induced low-differentiated glioma // Bull Exp Biol Med. 2012, 153(1), p.163-169.
21. Suleymanova E., Gulyaev M., Barkova A., Chepurnova N. Early MRI changes in rat brain after status epilepticus and later morphological abnormalities and behavioral impairment // 8th FENS Forum of Neuroscience, 2012, Abstracts, p. 171.
22. Верхоглазова Е.В., Гуляев М.В., Юсубалиева Г.М. Эволюция глиальных опухолей по данным магнитно-резонансной томографии // Межд. конф.
Ломоносов, секция Физика, Сб. тезисов, 2012, с. 128-130.