Магнитно-резонансная томография тепловых эффектов в модельных средах (1103556), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В постоянном поле 1 Тл ЯМР на протонах реализуется нарадиочастотах в области 40 МГц.Для получения трехмерных изображений внутренней структуры объектов в МРТметоде создаются сложные градиентные поля, пересекающиеся в точке, которая способнапрограммно-управляемо перемещаться в пространстве.
ЯМР-сигнал из этой точки служитизмеряемойвеличиной.Путемфазочастотногокодированиясигналапроводят6пространственную селекцию избранных для исследования спинов. По его результатам спомощью двойного обратного Фурье-преобразования реконструируют МРТ-изображение.Стандартное МРТ-изображение представляет собой двумерную черно-белую картину,контрастную по избранному ЯМР-параметру - временам релаксации Т1 и Т2, протоннойплотности,коэффициентудиффузии,илихимическомусдвигу.Считается,чтораспределение контраста отражает исключительно морфологические и структурныеособенности исследуемого объекта.
В контексте диссертации отмечаем, что распределениетемпературногополянаэтойкартинештатнымиМРТ-протоколаминепредусматривается.Важным качеством МРТ, отличающим его от других томографических методов ипозволяющим без ограничений использовать МРТ для исследования живых тканей, являетсямалость в условиях ЯМР энергетического возмущения ∆E исследуемой системы: ∆E ~10-5 кТв случае ЯМР на фоне ∆E ~10-3 кТ для ЭПР или ∆E ~105 кТ для рентгеновского анализа.Во второй части рассматривается современное состояние термотерапии, основаннойна эффекте гибели биологических клеток в условиях повышенной температуры (в условияхгипертермии) [2]. Приводятся примеры разработанных к настоящему времени клиническихгипертермических методик.
Описываются способы создания и контроля температурногополя внутри зоны терапии. Обсуждается возможность совместного использования методовгипертермии и МРТ для регистрации температурных полей и осуществления обратной связи.Термотерапия или гипертермия всегда применяется, как часть мультимодальноймногопараметрической стратегии лечения, часто совмещаемой с радио- и химиотерапией.Используется факт гибели патологических клеток при температурах, превышающих 4143 . Происходит замедление процесса деления, угасание деятельности и запуск программыгибели клетки (апоптоз). Белковый распад - основная причина смерти клеток приповышенных температурах, сопровождается разрушением внутримолекулярных связей иклеточных мембран.
Клинически важно, что раковые клетки хуже здоровых отводят тепло,вследствие чего имеют пониженную планку губительного перегрева.Для доставки тепла в область терапии используют лазерные, ультразвуковые, СВЧ иДВЧ методы. Тепловое воздействие предполагает строгий контроль температуры в областинагрева. Обычно его производят с помощью термозондов - полупроводниковых p-nпереходов, работающих в режиме тепловых болометров. Такой точечный способрегистрации температуры не охватывает всей зоны нагрева.
Дополнительные сложностивозникают из-за неоднородности исследуемых тканей и конвекции тепла на кровеносныхсосудах (перфузии). Недостаточные точность и своевременность определения параметровтемпературного поля в зоне нагрева являются главными факторами, ограничивающимииспользование в медицине современных методов гипертермии.7МРТ-метод неинвазивен и в сравнении с контактными методами контроля теплапредполагает многократно расширенный охват исследуемого пространства. В той или инойстепени, от температуры зависят все МРТ-регистрируемые параметры: времена Т1 и Т2,намагниченность (протонная плотность), коэффициент диффузии и химический сдвиг.
Впоследние годы опробовано множество вариантов использования этого факта в применениик МРТ-термометрии. По изменению коэффициента самодиффузии в отдельных случаяхудается достигать термочувствительности 0.2при объеме воксела 0.3 см3. Есть сообщенияоб измерении фазочувствительным методом температуры с шагом лучше 1с временнымразрешением менее 10 секунд при объеме воксела 0.05 см2.
Характерно, что подобныеисследования проводятся в рамках биомедицинских работ, часто - на живых тканях иорганах. О результатах судят по биологическому эффекту. Сообщения о физическихмодельных экспериментах на МР-томографах в области гипертермии в литературеотсутствуют.Третья часть касается вопроса, который многие годы остается не решенным, хотяимеет для МРТ фундаментальное значение - о механизме ЯМР-активности воды, котораяявляется одним из главных поставщиков протонов в биологических тканях.
На ядрах 1Нпроводитсяосновнаямассабиомедицинскихисследований(ПМР-спектроскопия),резонансная частота протона входит в названия фирменных ЯМР-установок: Bruker -200,400, 1000. Принимается, что интегрально регистрируемый ЯМР-сигнал, или МРТ-контраст,исходит непосредственно от протонов и прямо отражает их количество в исследуемыхобъектах.При исследовании водосодержащих сред считается естественным, что оба входящие всостав молекулы воды Н2О протона 1Н ЯМР-активны. При этом игнорируется тот факт, чтомолекуле H2O присуще свойство спиновой изомерии: она способна с отношением 3:1существовать в двух формах – в виде орто и пара молекул [3]. Спины 1Н в орто-молекулерасположены однонаправленно (складываются), а в пара-молекуле - разнонаправленно(взаимно компенсируются).
Теоретически, орто-Н2О с суммарным спином 1 должна, как иотдельный протон со спином ½, реагировать на внешнее магнитное поле и производитьЯМР-сигнал. Молекула пара-Н2О с нулевым суммарным спином в ЯМР не активна. Вприложении к МРТ последнее означает, что четверть находящейся в объекте водыостается невидимой. Так ли на самом деле – ответа нет.Выделенные курсивом проблемы определили постановку задачи в настоящейдиссертации.8Рис.
1.Магнитно-резонансные томографы, на которых проводились диссертационныеэксперименты: а) Bruker Tomikon S-50 с полем 0.5 Тл и б) Bruker BioSpec 70/30 с полем 7 Тл.Вторая глава «МРТ-термометрия на модельных образцах с использованиемтрадиционных методов нагрева» посвящена описанию, разработанных в диссертации МРТсовместимых методов создания и регистрации температурных полей внутри модельныхжидкостных образцов. С целью сравнения МРТ-проявлений температурных полей вмагнитных полях разной напряженности эксперименты проводились параллельно на двухпредставленных на рис.
1 МР-томографах: среднепольном медицинском томографоме BrukerTomikon S50 с магнитным полем 0.5 Тл (частота магнитного резонанса 21, 2 МГц) исильнопольном исследовательском томографоме Bruker BioSpec 70/30 с рабочим магнитнымполем 7 Тл (частота 300 МГц). Проведение физических экспериментов на этих установкахсопряжено с целым рядом специфических трудностей - ограниченностью рабочегопространства в сильном поле, ограниченностью выбора конструкционных материалов длялюбых аппаратурных приставок, невозможностью отключения магнитного поля на времямонтажных работ, неприспособленностью узлов МР-томографов и рабочих протоколов дляпроведения термометрических измерений, дистанционностью измерений, невозможностьюдолговременной установки в МРТ нештатных устройств.В первой части анализируются с точки зрения их пригодности для МРТтермометрии термочувствительные МРТ-параметры, связанные с 1) изменением величиныТ1-релаксации (Т1-метод), сдвигом частоты резонанса протонов (P-метод)и величинойкоэффициентаосновыдиффузии(ADS-метод).Обсуждаютсяфизическиеихчувствительности к температуре, оценивается и сравнивается возможности создания на ихоснове измерительных МРТ-методик.9Медицинские температуры 30-45предельно высоки для их надежной МРТ-регистрации по той, прежде всего, причине, что в отношении ЯМР исследуемая системанаходится в режиме энергетического насыщения.
При этом еще она имеет принципиальнослабую связь с носителем температуры - атомно-молекулярным остовом ткани. Длядостижения полезного для практического использования температурного разрешения(порядка десятых долей градуса) требуется регистрация температурных изменений, лежащихв пределах всего нескольких процентов абсолютной величины. На практике стационарныетемпературные картины, особенно при работе в клинических условиях, осложненыфлуктуациями температуры в пределах нескольких градусов, обусловленных эффектамиконвекции, перфузии, изменением уровня насыщения крови кислородом и т.п.
Этитемпературные искажения во время МРТ-сканирования ведут к систематической ошибкеизмерений. Для проведения корректной МРТ-термометрии требуются максимально короткиесроки сканирования. В диссертации с целью поиска путей сокращения временисканирования и нивелирования тепловых флуктуационных эффектов осуществлена серияэкспериментов по оптимизации параметров импульсных МР-последовательностей true_FISP,RARE_SE, PVM_PRESS для работы в режиме термометрии - рис. 2.
Подбором параметровAV, RES и SEG достигался наиболее выгодный баланс времени и точности измеренияконтраста.Во второй части рассматривается возможность использования в системах МРТтермометрии традиционных методов нагрева – диффузии тепла от миниатюрныхэлектронагревателей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
