Диссертация (Диагностическое значение современных методик МРТ в оценке рака предстательной железы), страница 9

Термодинамические эффекты не дают получить еще большеспинов в высокоэнергетическом состоянии. В действительности произойдетпротивоположное. Дальнейшее облучение может даже вернуть спины внизкоэнергетическое состояние. Вектор результирующей намагниченностипросто продолжит вращение.Вращение на 270° даст практически тот же результат, что и поворот на90° в противоположном направлении.

Вращение на 360° восстановит53первоначальное положение. Несколько поворотов на 360° насытят систему.Результирующий магнитный вектор пропадет.Интенсивность МР-сигнала по существу прямо пропорциональнаколичеству ядер, присутствующих в образце. Поэтому с помощью МРСможноизмерятьвнутриклеточныеконцентрации.Притщательнойкалибровке на стандартных растворах, в принципе, можно из значенийинтенсивности получить абсолютные значения концентрации.

Очень сложноизмерить абсолютную концентрацию с помощью МРС измерений in vivo.Требуется выполнять коррекцию множества артефактов и потерь сигнала,поэтому количественное определение объема воды в клетке ткани весьмазатруднительно.отношенияЛегчеиспользоватьметаболитов.Хотяотносительныесигналфактическиконцентрацииизмеряетсяикакнапряженность электрического сигнала в мВ, интенсивность принятовыражать в условных единицах.Резонанснаячастотапрямопропорциональнанапряженностимагнитного поля у ядра. Эта зависимость характеризируется гиромагнитнымотношением γ, свойством, зависящим от типа ядра. Для протонов(атомов 1H) гиромагнитное отношение равно 42,577 МГц/Тл.

Окружающиеэлектроны в молекуле частично защищают ядро от воздействия внешнегомагнитного поля. Это вызывает небольшие отличия по резонанснымчастотам в зависимости от химической среды.Эти отличия очень малы по сравнению с основной резонанснойчастотой, но достаточны для определения разных молекул. Каждоехимическое соединение, содержащее один или несколько протонов, имеетуникальную характеристику («отпечатки пальцев»).

Отличия по частотеназываются химическим сдвигом и обычно выражаются в Гц или в частях намиллион ppm (part per million).54В протонных спектрах диапазон химических сдвигов очень малый —лишь 5–10 ppm. Это значит, что отличия по частоте между метаболитамисоставляют несколько сотен герц или меньше при сигнале 64 миллиона герц.Химический сдвиг рассчитывается как расхождение с эталоннойчастотой в виде части радиочастоты, используемой для возбуждения.Эталонной может быть частота, используемая для возбуждения, илирезонансная частота эталонного соединения (рис. 7).Расчет химического сдвига:Рисунок 7 — Химический сдвиг δ, в ppm от разницы между резонанснойчастотой и эталонной частотой Гц.В протонных спектрах эталонная или нулевая частота, используемая вшкале ppm, обычно относится к соединению, которое фактически неприсутствует в спектре.

В прошлом, когда МРТ использовалась в качествеаналитического инструмента в химических лабораториях, применялосьэталонное соединение с более низкой резонансной частотой, чем у другихсоединений. Поэтому все другие компоненты имеют положительныйхимический сдвиг. На практике этот эталон больше не включается визмерения, но его частоту можно получить из других резонансных частот.Исторически сложилось и то, что ось X всегда отображается вобратном направлении, как на шкале Гц, так и шкале ppm. Это не имееткаких-либо дальнейших последствий, поскольку обе шкалы являютсяотносительными. Вертикальная шкала обычно представлена в условныхединицах.55Изменения во внутриклеточной среде могут изменить магнитноэкранирующие свойства электронов в молекуле метаболита. Некоторыетитруемые соединения имеют резонансы с химическим сдвигом, которыйменяется как функция кислотности (pH) этой среды.

Это свойство можетиспользоватьсядлянеинвазивногоизмерениявнутриклеточногоpH.Аномальный внутриклеточный рН может служить индикатором широкогоряда аномалий, таких как нарушение обеспечения тканей кислородом. Нахимический сдвиг могут влиять и другие факторы химической среды. Вкачестве примера можно назвать концентрацию металлических ионов,которые могут менять химический сдвиг молекул путем ионного связывания.Еслиметаллическиеионыобладаютпарамагнитнымисвойствами,химические сдвиги всех соединений могут измениться под влияниемблизости.МР-сигнал содержит все частоты вращающихся спинов (рис. 8). Чтобыизвлечь информацию из сигнала, его следует подвергнуть преобразованиюФурье.

Преобразование Фурье — это метод анализа частот в сигнале,дающий график интенсивностей сигнала как функцию частоты. Это и естьспектр.AB56Рисунок 8 — Сигнал в МР-спектроскопии является смесью разных частот.Если сложить три кривые слева (А), в результате получится кривая справа (В).Интенсивность всех сигналов снижается со временем, у одних быстрее (А, верхнийсигнал), у других медленнее (А, второй и третий сигнал).

Комбинированный сигнал (B)является типичным сигналом спектроскопии, часто называемым «спадом свободнойиндукции» (ССИ). Показаны только действительные части ССИ. Результирующий спектрпоказан на Рис. 9.Сигнал (традиционно) записывают непосредственно после импульсадетектирования. Тогда интенсивность первой точки пропорциональнакомбинированным намагниченностям всех частот. Другие точки в сигналетакже имеют большую важность. Более длительный сигнал дает болееточную информацию о своей частоте.

Все экспоненциально затухающиесинусоиды, показанные на рисунке 8, затухают с разными временнымиконстантами T2*. Быстро затухающие сигналы содержат мало информации освоей точной частоте. Они создают широкое распределение частот послепреобразования Фурье.Спектр намного легче интерпретировать, чем ССИ. Спектр имеетполосу пропускания, определяемую скоростью выборки данных временногосигнала. Обычно она имеет порядок нескольких сотен герц или несколькихкилогерц. Ось Х может быть выражена либо в герцах, либо ppm.Вертикальная шкала часто выражается в условных единицах, посколькусуществуетмногокоэффициентовмасштабирования,например,чувствительность катушки и чувствительность предусилителя, которыевлияют на масштабирование сигнала.

Фактически невозможно рассчитатьконцентрацию метаболита по отдельному спектру. Калибровка растворамиизвестной концентрации в определенных условиях позволяет измеритьконцентрацию по относительным областям пиков.Пример на рисунке 9 показывает три резонанса с разной ширинойлиний. Они имеют одинаковую область пиков, поэтому максимальныеинтенсивности отличаются. Область пика можно оценить как высоту,умноженную на ширину на половине высоты.57Ширина линии (полная ширина линии на половине максимума)обратно пропорциональна константе времени затухания сигнала в ССИ.Константы затухания отдельных МР-сигналов (T2*) частично определяютсяоднородностью магнитного поля, а также частично константой собственнойпоперечной релаксации (T2) резонанса. Хорошее шиммирование увеличиваетT2*, уменьшая при этом резкость линий.

Это снижает вероятностьналожения пиков и увеличивает высоту пиков. Из-за такого увеличениявысоты пиков эффективное отношение сигнал/шум (SNR) улучшается врезультате шиммирования.Рисунок 9 — Фурье-преобразование сигнала показано на Рис. 8.Сигнал слева имеет короткое затухание, и поэтому широкий пик. Сигнал справа имеетсамое долгое затухание. Все области пиков здесь равные, поскольку интенсивностьпервой точки была равной для всех трех компонентов сигнала. Высота пиков отличаетсяиз-за разницы в ширине линийИдентификация резонансов в спектре in vivo представляет собойдостаточно сложную задачу.

Классическим методом, используемым ваналитической ЯМР-спектроскопии жидкостей, является спайкинг. В раствордобавляют соединения, которые предположительно присутствуют в растворе.Пики, интенсивность которых увеличивается, относятся к этим соединениям.Таким образом, устраняется возможное влияние таких факторов, как pH нахимический сдвиг. Очевидно, что этот метод не может использоваться в МРС58in vivo. Практически каждый орган человеческого тела, который может датьощутимый МРС сигнал, изучен с помощью МРС.Большим подспорьем в интерпретации спектров является информацияо химической структуре, которую можно получить из спектральных данных.Эта информация берется от взаимного воздействия малых ядерныхмагнитных полей одних ядер на другие ядра в (очень) узком диапазоне.Внешнее магнитное поле, которое воздействует на ядро, может бытьизменено магнитным полем соседнего атома, как показано на рис.

10. Врезультате этой связи резонансная частота будет несколько ниже или выше взависимости от направления намагниченности соседнего атома.Рисунок 10 — J-связь между двумя ядрами.Магнитное поле одного ядра меняет внешнее магнитное поле, воздействующее на другиесоседние ядра. Механизм спин-спинового взаимодействия, или J-связи, фактическивключает опосредование связывающими электронами.Наиболее важным механизмом связи для МРС in vivo является спинспиновое взаимодействие, называемое J-связью. J-связь осуществляетсяпосредством связывающих электронов в химической связи между двумявзаимодействующими ядрами.59В результате будет получен спектр с резонансом связанного ядра,разделенным на две линии. Два пика называют дублетом.

Разница в частотемежду пиками является константой J-связи, выраженной в Гц. КонстантаJ-связи взаимосвязана с напряженностью магнитного взаимодействия.Напряженность магнитного поля быстро уменьшается с расстоянием,поэтому эффект J-связи будет существенным только в том случае, есливзаимодействующие атомы соединены химическими связями. Фактическиэлектроны химической связи помогают "передавать" влияние магнитногополя соседних атомов.Основной исследуемый метаболит в спектроскопии простаты — этоцитрат (~2,6 ppm), наиболее сильный сигнал в нормальной ткани простаты.Изменения в уровне цитрата и, дополнительно, в уровнях холина, считаютсяиндикаторами патологических изменений.• Высокий уровень холина, низкий уровень цитрата в опухоляхвозможно вызывается тем, что клетки, производящие цитрат, заменяютсязлокачественными эпителиальными клетками.• Высокий уровень холин-содержащих метаболитов также выявлен приДГПЖ (доброкачественном избыточном росте клеток простаты), тогда какуровень цитратов остается постоянным.

Возможно, вызывается повышеннойскоростью разрастания клеток.Еслиположениеисследованияизменяется,простатывтечениевозникаютэффектыспектроскопическогочастичногообъема,а полученные спектры не оптимальны. Кровотечение после биопсииснижает четкость МР-изображений простаты и затрудняет получениекачественныхМР-спектрограмм,поэтомуМРТиМРСнеобходимопроводить не ранее 3 — 4 недель после биопсии.Можно использовать сатурацию для задания дополнительного объема,для подавления нежелательных сигналов окружающего жира, для заданияменьшегообъемавнутрибольшегообъема(дляснижения60смещения химического сдвига). Однако в нашем исследовании сатурацияне включаласьвпротоколисследования,дляуменьшениявременипроцедуры.Для получения полезной информации о метаболизме определеннойткани должна быть известна область, из которой происходят спектры, иопределен исследуемый объем (объем интересов, VOI).В нашей работе мы применяли метод PRESS, котоый являетсяпредпочтительным методом для протонной спектроскопии.

Метод PRESS —это метод объем-селекции, с помощью которого можно выбрать объеминтересов (VOI) за одно измерение (возбуждение). ПоследовательностьPRESS содержит 90-градусный импульс возбуждения, за которым следуютдва 180-градусных эхоимпульса (рис. 11).Рисунок 11 — Импульсная последовательность PRESS.За селективным градиентом, связанным с 90-градусным импульсомвозбуждения, следует градиент рефазирования. 180-Градусные эхоимпульсыпомещают между двух дополнительных подавляющих градиентов (crushergradient). Величина градиента и продолжительность этих подавляющихградиентов определяется параметрами управления сканированием. Данныеподавляющие градиенты выполняют две функции.611.