Селекция тканей по временам релаксации в магнитно-резонансной томографии

На правах рукописиАнисимов Николай ВикторовичСЕЛЕКЦИЯ ТКАНЕЙ ПО ВРЕМЕНАМ РЕЛАКСАЦИИ ВМАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физикиАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква - 20102РаботавыполненавУчебно-научноммежфакультетскомимеждисциплинарном Центре магнитной томографии и спектроскопии МГУимени М.В.Ломоносова.Научный консультант:доктор физико-математических наук,профессорПИРОГОВ Юрий АндреевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорБУРОВ Валентин Андреевичдоктор физико-математических наук,профессорТИМОФЕЕВ Владимир Петровичдоктор физико-математических наук,профессорЧИЖИК Владимир ИвановичВедущая организация:НИИ Международный томографическийцентр СО РАНЗащита состоится «___» _____________ 20___ года в _____ на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.66 при Московском государственномуниверситете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, д.

1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. ______.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «_____» _________________ 20___ годаУченый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.66кандидат физико-математических наук,И.Н.Карташов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена магнитно-резонансной томографии (МРТ) –разработке и применению сканирующих импульсных последовательностей,оптимизации их параметров, поиску новых методов обработки данных сцелью повышения информативности МРТ исследования.Актуальность темыМагнитно-резонансная томография является мощным методоммедицинской диагностики благодаря тому, что неинвазивным, безопаснымметодом извлекается ценная информация о состоянии внутренних органов(тканей) человека. Проблемой МРТ-исследования является то, что обычныеобзорные изображения, получаемые при диагностическом исследовании, невсегда пригодны для регистрации слабых вариаций контраста, которыеобусловлены патологическими изменениями.

Это связано с тем, что картинатканевого контраста слишком сложна, поскольку на ней отображены всеткани с большой вариабельностью пространственной локализации и дающиеразличные по интенсивности сигналы.При анализе зоны поражения информация о нормальных(непатологических) тканях становится избыточной. Поэтому стратегияисследования должна предусматривать фильтрацию этой информации.

Внастоящее время разработано много методов сканирования, позволяющихотсеять часть избыточной информации за счет подавления сигналов отнормальных тканей – спинномозговой жидкости, жировой и др. Эти сигналы,определяющие картину тканевого контраста на МР-изображения, зависят какот физических параметров объекта, так и параметров сканирующейимпульсной последовательности (ИП). Последнее обстоятельство даетширокие возможности управления тканевым контрастом. Актуальнымпредставляется управление тканевым контрастом путем выделения(селекции) тканей с определенными временами релаксации.Практика показала, что выделение или подавление только одноготканевого компонента в ходе МРТ-сканирования оказывается недостаточнымдля надежной локализации зоны поражения.

Поэтому актуальным являетсяподавление сигналов от нескольких нормальных тканей. Это особенноактуально для объемной визуализации зоны поражения. В этом случаенеобходимо сегментировать участки изображения с одинаковым контрастом,что возможно лишь при хорошей дифференциации нормальных ипатологически измененных тканей. Полное подавление сигнлов отнежелательных для визуализации структур (нормальных тканей) создаетнаиболее благоприятные условия для автоматизации данного процесса.Основной целью диссертационной работы стала разработка методовМРТ-исследования,прикоторыхотфильтровываетсяизбыточнаяинформация о тканях, не представляющих интерес для исследования, исоздаются наиболее благоприятные условия для выявления патологическиизмененной ткани и ее визуализации, включая объемную.

Фильтрация4(селекция) производится с помощью специально подобранных параметровсканирующей ИП на основе априорных знаний о временах релаксации.Термин «селекция», содержащийся в названии настоящей работы,отображает широкий круг задач, решаемых в ходе МРТ-исследования – это иселективное подавление нежелательных для регистрации компонентов, иселективное возбуждение сигналов от тканей, представляющих интерес. Этотакже дискретная селекция тканей с известными релаксационнымипараметрами при использовании одной из них в качестве контрастирующеговещества.

И, наконец, визуальная селекция участков изображения на основеаприорных знаний об их релаксационных параметрах.Положения, выносимые на защиту1. МРТ-исследование с применением ИП, обеспечивающих упрощениекартины тканевого контраста для нормальных тканей, – эффективный путьвыявления зон поражения.

Такое упрощение возможно за счет селекциитканей по временам релаксации с помощью ИП, обеспечивающихвыравнивание сигналов от нормальных тканей или их подавление.2. Импульсные последовательности, работающие на основе метода инверсиявосстановление, обеспечивают эффективную селекцию тканей по временамрелаксации. Для расчета оптимальных параметров этих ИП необходимаинформация о спиновой плотности и релаксационных параметрахнормальных тканей.3. Эффективным методом исследования зон поражения являетсясканирование с применением дважды инвертирующей ИП DIR (DoubleInversion Recovery), с помощью которой производится одновременноеподавление сигналов воды и жира. Благодаря подавлению мощных фоновыхсигналов от нормальных тканей расширяется динамический диапазонприемного тракта, упрощается картина тканевого контраста.

Этоспособствует выявлению зон поражения, их волюметрии и объемнойреконструкции.4. Алгебраические операции с МР-изображениями, полученных от различныхИП, проведенных для одной и той же зоны интереса, дают дополнительнуюдиагностическую информацию. С помощью алгебраических операцийвозможна эмуляция не только известных ИП, но и режимов сканирования, неимеющих реализуемых аналогов, включая режимы с трех- и болеекомпонентным подавлением нормальных тканей, а также селективнымвыделением одного или нескольких компонентов.Отметим специфичность описываемых методов по сравнению теми,что обычно применялись в практике МРТ.Упрощение картины тканевого контраста применялось для решениячастных задач МРТ-исследования, например, для визуализации кровеносныхсосудов.

В данной работе упрощение этой картины рассматривается в рамкахосновной стратегии МРТ-исследования.5Основным путем повышения информативности МРТ-исследованиясчиталось полное подавление нормальных компонентов – жира или воды. Вданной работе, помимо такого подхода, уделено внимание реализации ИП,выравнивающей контраст между отдельными тканевыми компонентами.Обычно для одновременного подавления сигналов воды и жираприменялась ИП FLAIR (Fluid Attenuated Inversion Recovery) с частотноселективным подавлением сигнала от жира. Эффективность такой ИПзависела от однородности поля, что накладывало ограничения на размерзоны сканирования. Поэтому хорошие результаты получались лишь приисследовании малых областей – например, орбит. Применение ИП DIR,малочувствительной к неоднородности поля, позволило расширить зонусканирования и проводить упрощение картины тканевого контраста приисследованиях оболочек мозга, позвоночника, внутренних органов.При практической реализации ИП DIR впервые было обращеновнимание на радиотехнические аспекты, связанные с подавлением мощныхфоновых сигналов воды и жира, а именно на расширение динамическогодиапазона приемника, что повышает его чувствительность.В МРТ не практиковалось построение объемных образов зонпоражения - гематом, опухолей и др.

В настоящей работе показано, чтоподавление сигналов от нормальных тканей создает благоприятныевозможности для автоматизации этих построений.В предшествующих работах, посвященных применению ИП DIR,оставались без внимания ее возможности как T1 фильтра, обусловленныезависимостью регистрируемого сигнала от T1. В диссертационной работевпервые отмечена возможность оптимизации этого фильтра для селекциисигнала от ткани, у которой параметр T1 имеет статистический разброс.Для селекции тканей по временам релаксации впервые былизадействованы алгебраические операции с МР-изображениями (вычитание,умножение и т.д.) от разных ИП.

Полезным оказалось использование«разностных» изображений для оценки общего объема жира в теле человека.Ранее алгебраические операции с изображениями проводилось для одной итой же ИП, когда анализировались изменения T1 при введении контрастныхвеществ, а также при предъявлении стимула (функциональная МРТ).Концепция упрощения картины тканевого контраста, оказаласьвостребована и для объемной визуализации объектов, которые не даютсигнал ЯМР.

Считалось, что приемлемое качество 3D-изображений такихобъектов возможно лишь методом рентгеновской компьютерной томографии.В данной работе впервые даны высококачественные 3D-МРТ-изображенияподобных объектов, которые контактировали с водородсодержащейжидкостью,используемойвкачествеконтрастноговещества,сформулированы требования к этой жидкости и параметрам ИП.В данной работе впервые представлены результаты обработки базыданных МРТ, с помощью которых получен материал для эволюционнойантропометрии. Ранее для этого предлагались патентные разработки, которые6не были реализованы.

Способ, предлагаемый в настоящей работе, прост.Здесь измерение размеров головы сводится к визуальному определениюграниц подкожно-жировой клетчатки и заданию соответствующей зонысканирования, а потому не требует значительных вычислительных ресурсов.Научная новизна1. Развита концепция упрощения картины тканевого контраста дляповышения информативности МРТ-исследования патологически измененнойткани. Предложены два варианта реализации данной концепции на основепроведения МРТ–сканирования: с полным подавлением сигналовнормальной ткани и методом выравнивания тканевого контраста.2.

Показана возможность выравнивания контраста для несколькихнормальных тканей с различными величинами протонной плотности ивременами продольной релаксации T1 при МРТ-сканировании сиспользованием методики инверсия-восстановление. Развита методикарасчета как параметров сканирующей ИП, нацеленной на выравниваниеконтраста, так и величин МР-сигналов, регистрируемых при реализации этойИП.3. Предложена и реализована методика сканирования с одновременнымподавлением сигналов свободной жидкости и жировой ткани, основанная надвойном применении эффекта инверсия-восстановление (DIR – doubleinversion-recovery).

Дано обоснование информационной эффективностиприменения данной последовательности для лучшей визуализации рядапатологических образований головного мозга на основе гистограммногоанализа T1-карт. Показано, что действие данной последовательности можнорассматривать как селективную по T1 фильтрацию. Показано, чтоприменение данной методики МРТ-сканирования приводит к подавлениюмощных фоновых сигналов от нормальных тканей, благодаря чемурасширяется динамический диапазон приемного тракта, упрощается картинатканевого контраста и в, конечном итоге, улучшается визуализация слабовыраженных вариаций тканевого контраста.4.