Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Магнитно-резонансная термометрия на основе измерений времени продольной релаксации и химического сдвига

ВАК РФ 03.01.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Магнитно-резонансная термометрия на основе измерений времени продольной релаксации и химического сдвига"

На правах рукописи

Ханов Сердар Курбанович

Магнитно-резонансная термометрия на основе измерений времени продольной релаксации и химического сдвига

Специальность 03.01.01 - радиобиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва-2013 005539880

005539880

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 руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Пирогов Юрий Андреевич Официальные оппоненты: Ломанов Михаил Федорович, доктор физико-

математических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник ФГБУ ГНЦ РФ Института теоретической и экспериментальной физики

Рууге Энно Куставич, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель лаборатории ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» МЗ России

Ведущая организация: Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита состоится 19 декабря 2013 года в 14.00 час на заседании диссертационного совета Д.501.001.65 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.12, Биологический факультет МГУ, ауд. 398.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ, Ломоносовский пр-т, 27, сектор А, к. 812. Отзывы просим присылать по адресу: Веселовой Т.В., каф. биофизики биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Факс: 8(495)939-11-15 .

Автореферат разослан « 12» ноября 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук,

Т.В. Веселова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Работа посвящена проблемам регистрации температурных полей внутри биоорганических сред методом магнитно-резонансной томографии (MPT). МРТ-термометрия актуальна для различных областей медицинской практики - это и медицинская термотерапия (гипо- и гипертермия), основанная на соответствующих биологических эффектах в условиях пониженной или повышенной температуры, и диагностика различных заболеваний, имеющих отличные от здоровых тканей температурные показатели (опухолевые процессы, ишемия и др.). Разработка бесконтактных методов термометрии также актуальна для радиационной медицины и радиобиологических исследований. По данным исследований [Levendag P.C., 1992; Tsafnat N., 2005] комбинация радиационного облучения с термотерапией имеет явные преимущества по сравнению с просто повторным облучением. В недавней работе [Rieke V., 2008] приведена положительная статистика по методам радиотерапии с применением гипертермии. Тепловое воздействие предполагает строгий контроль температуры в зоне нагрева. Обычно его производят с помощью термозондов — датчиков, работающих в режиме тепловых болометров. Такой локальный и инвазивный способ регистрации температуры, как правило, не охватывает всю зону температурного воздействия, а во многих случаях совершенно невозможен из-за несовместимого с жизненными функциями повреждения тканей. Дополнительные сложности контроля температуры возникают из-за неоднородности исследуемых тканей и механизмов отвода тепла живыми системами.

Основными факторами, ограничивающими применение многих современных видов термотерапии в медицине, являются инвазивность и инерционность при определении температуры в зоне интереса, невысокая точность получаемых данных. В этой связи представляется особенно актуальным развитие неинвазивных методов контроля температурных полей и включение их в практику медицинской диагностики.

Перспективы применения бесконтактных термометрических методик на основе ЯМР и МРТ связываются с сильной зависимостью параметров спиновой системы к температуре. МРТ-метод неинвазивен и в сравнении с контактными методами контроля температурных полей предполагает многократно расширенный охват исследуемой области. Однако для значительного расширения функционала современных MP-исследований в области медицинской термотерапии требуется адаптация уже известных методических подходов для надежной регистрации эффекта. Попытки решить эту задачу проводятся во всем мире. Однако установление

общих закономерностей регистрации температурных полей методом МРТ происходит в рамках разнообразных биомедицинских исследований, как правило, на сложных объектах, путем медленного накопления опытных фактов, получаемых на разном МРТ-оборудовании, из-за чего экспериментальные данные получаются специфичными и трудно сопоставимыми.

Целью работы стала разработка подходов к решению актуальной для МР-термометрии проблемы: неинвазивное измерение температурных полей внутри биологических тканей in vivo методом МРТ на основе регистрации температурной зависимости параметров ЯМР - времени продольной релаксации и химического сдвига.

Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:

1. Проведение анализа параметров ЯМР, чувствительных к температуре в зоне интереса, и изучение возможностей методов, способных регистрировать эти параметры с высокой точностью.

2. Создание термометрической установки для модельных измерений, способной работать в MP-томографах не только в слабом (0.5 Тл), но и сильном магнитных полях (до 7 Тл) и позволяющей проводить надежные измерения температуры как контактным, так и МРТ методом.

3. Исследование температурных зависимостей параметров ЯМР на модельных образцах.

4. Анализ и выявление эффективных методов МРТ термометрии на основе полученных экспериментальных данных.

5. Проведение экспериментов in vivo на лабораторных животных в режиме локальной ЯМР спектроскопии.

Положения, выносимые на защиту

Наиболее эффективными и корректными способами МРТ-термометрии являются измерения температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига характерных линий в локальном ЯМР спектре.

Модельные эксперименты и измерения in vivo показали высокую достоверность получения данных исходя из установленных температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига.

Локальная ЯМР спектроскопия in vivo с выделением анализируемого воксела посредством неоднородных магнитных полей позволяет по характеристикам ЯМР спектра (химсдвигу и распределению интенсивностей спектральных линий) определять не только метаболический портрет, но и температуру выделенной ткани.

Научная повпзна и практическая значимость результатов

Предложен модельный подход с применением фантомов для дальнейшего развития и применения MP-термометрии в практике биомедицинских исследований. Для достижения поставленной цели разработаны и созданы МРТ-совместимые экспериментальные установки, способные работать в широком диапазоне магнитных полей (до 7 Тл).

Продемонстрирована эффективность использования модельного подхода в развитии методов MP-термометрии. Метод локальной ЯМР спектроскопии, применяемый для анализа метаболических процессов внутри выделенного воксела, адаптирован для in vivo измерения температуры живой ткани по изменениям химического сдвига. Результаты диссертационного исследования могут использоваться в качестве ориентиров при разработке медицинских методов МР-термометрии для практического применения в биомедицинских исследованиях.

Апробация работы

Результаты исследований были доложены на 3-ем Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика — 2010» (Москва, 21-26 июня 2010 г.), международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2011» (Москва, 11-15 апреля 2011 г.) и «Ломоносов-2012» (Москва, 9 —13 апреля 2012 г.), научно-практической конференции «Инновационный проект 2011» (Москва, 11 октября 2011 г.), конференции Spinus

2011 (Санкт-Петербург, 27 ноября - 3 декабря 2011 г.), V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5) (г. Троицк, 4 — 8 июня

2012 г.), International Symposium and Summer School in Saint Petersburg «NMR in Heterogeneous Systems», the 9th meeting: «NMR in Heterogeneous Systems» (Санкт-Петербург, 9—13 июля 2012 г.).

Публикации

Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях - 3 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и 8 в тезисах и трудах перечисленных конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на иъ стр., иллюстрирована 51 рисунками и Ч таблицами. Список цитируемой литературы включает наименование, в том числе Q0 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, личный вклад и положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Основные принципы магнитно-резонансной томографии» представляет собой обзор литературы по физическим принципам метода магнитно-резонансной томографии (МРТ) и возможностям ее применения в неинвазивной термометрии внутренних органов живых организмов. Рассмотрены параметры ЯМР, зависящие от температуры и определяющие температурную чувствительность МРТ, принципы построения и регистрации МРТ-изображений, пространственно-селективного возбуждения спинов.

МРТ основана на принципах ядерного магнитного резонанса (ЯМР), используемого для получения данных о химических и физических свойствах молекул. ЯМР-сигнал способны производить ядра с ненулевым спином, помещенные в постоянное магнитное поле В, в котором магнитные моменты ядер ориентируются параллельно и антипараллельно полю В. Этим ориентациям соответствуют дискретные уровни энергий с интервалом ЛЕ ~ уцВ. Тогда при наложении дополнительного переменного магнитного поля с частотой со = уВ (у —гиромагнитное отношение) они резонансно поглощают/переизлучают электромагнитную энергию.

Получаемое в результате сканирования МРТ-изображение представляет собой двумерную картину в градациях серого, контрастную по избранному ЯМР-параметру - временам релаксации 77 и Т2, протонной плотности, коэффициенту диффузии или химическому сдвигу линий в ЯМР спектре. Несмотря на то, что значения указанных параметров зависят от температуры и, в принципе, могут использоваться для ее локальных измерений, в работе отмечено, что визуализация распределения температурного поля в зонах интереса штатными МРТ-протоколами не предусмотрена.

Во второй главе рассмотрены МРТ-методики, пригодные для неинвазивного измерения температуры биологических тканей in vivo, возможные области применения MP-термометрии, инструменты обратной связи при проведении температурного мониторинга.

Температуры, при которых обычно проводят медицинские исследования на живых объектах, высоки для их надежной регистрации методом МРТ по той, прежде всего, причине, что в отношении ЯМР исследуемая система находится в режиме энергетического насыщения.

В главе приведены примеры разработанных к настоящему времени клинических гипертермических методик. Описаны существующие способы создания и контроля температурного поля внутри зоны терапии. Отмечаем актуальность проблемы совместного использования методов термотерапии и МРТ для регистрации температурных полей и осуществления обратной связи терапевтического процесса и термометрии желательно в реальном времени.

В той или иной степени от температуры зависят все регистрируемые в МРТ параметры: времена релаксации 77 и Т2, намагниченность (протонная плотность), коэффициент диффузии протонов воды и химический сдвиг.

Практическую ценность для неинвазивной МРТ термометрии имеют три группы наиболее чувствительных к температуре эффектов: смещение частоты магнитного резонанса, изменение коэффициента диффузии ЯМР-активных частиц и времени продольной релаксации спинов в зависимости от температуры. Внутри каждой из групп реализуется множество частных вариантов.

Метод химического сдвига. Данный метод основан на том, что хотя все однотипные ядра резонируют в постоянном магнитном поле на одной и той же частоте, они испытывают слабые различия локального магнитного поля из-за различий в химическом окружении. Это дает небольшой, но уверенно регистрируемый сдвиг частоты резонанса. Изучением химических сдвигов занимается ЯМР-спектроскопия высокого разрешения.

В качестве ЯМР-зондов для спектроскопии по химическому сдвигу особенно удобны протоны 'Н из-за своего высокого естественного содержания в живых организмах. Впервые чувствительность химического сдвига к температуре наблюдал Хиндман (J. С. Hindman) в 1966 году при изучении водородных связей в воде. На среднепольных томографах регистрацией разности фаз рабочего и опорного сигналов удается достигать точности измерения температуры порядка ± 0.5 °С. Метод позволяет регистрировать как относительное изменение температуры, так и абсолютное ее значение. Отметим, что метод весьма чувствителен к любым пространственным перемещениям, что является его определенным недостатком.

Метод Т1-релаксации позволяет получать удобную линейную зависимость 77-взвешенного сигнала от температуры, что можно использовать для построения калибровочных графиков. Основу применения 77-метода в МР-термометрии составляет механизм перераспределения спинов по зеемановским энергетическим уровням и соответствующий этому перераспределению энергетический обмен системы спинов с окружением. В соответствии со статистическими законами, распределение в системе расщепленных полем В уровней определяется формулой

ni = А exp [-Ei /(fcr)] ,

где ш - количество спинов в состоянии с энергией Е£, А - нормировочный коэффициент. Количество спинов, ориентированных по полю в этом представлении принципиально больше, чем ориентированных против поля. Этому соответствует макроскопическая ядерная намагниченность, вектор М, направленный вдоль поля В. Величина М, продольная намагниченность, определяется количеством спинов в единице объема. Равновесная разница населенностей уровней, как и сами энергии расщепленных состояний, задаются величиной магнитного поля В:

п2/п1 = ехр[-уВ/(кТ)], где п1 и п2— населенности верхнего и нижнего уровней. Как видно из формулы, населенности уровней напрямую зависят от величины расщепления уровней, которая, в свою очередь, определяется полем В. Всякое изменение магнитного поля В ведет к перераспределению населенности уровней и, соответственно, к изменению намагниченности М. При этом суммарная энергия спинов также изменяется. Происходить это может только путем энергетического обмена системы спинов с внешней средой. Резервуаром обмена является энергия движения атомов и молекул вещества, составляющих матрицу, в которой спины локализованы. Для количественного определения 77 обычно используют последовательности инверсии-восстановления с пошагово возрастающими временами инверсии. Такие исследования длительны по времени, от чего чувствительны к пространственным движениям объекта. В последнее время применяют последовательность быстрого спинового эха (Т-Ж), которая позволяет за сравнительно малые промежутки времени получать 77-взвешенные карты объектов путем автоматической перестройки параметров последовательности в пределах одного режима. Точность этого метода варьируется в пределах ± 0,5-1 °С при температурах 45 - 65 °С. В клиническом применении метод сталкивается с проблемой неоднородности тканей.

Метод диффузии основан на измерении интенсивности сигнала ЯМР при диффузном перемещении ЯМР-активных ядер в градиентном магнитном поле. Измерения выполняются при возрастающих градиентах поля, ускоряющих диффузное молекулярное движение, которое сопровождается понижением величины ЯМР-сигнала. В случае диффузионного метода обычно применяют диффузионно-взвешенную последовательность импульсов (БЕ) с автоматическим расчётом коэффициента самодиффузии О. Из многочисленных наблюдений найдено, что изменение температуры ткани на 1 °С ведет к изменению коэффициента диффузии в пределах 2%. Метод дает точность в определении реальных температур ±0.6 "С. Используемые импульсные последовательности РБШ и 8Е, как правило, содержат артефакты, связанные с пространственными сдвигами и дают артефакты на границах

зоны сканирования. Метод позволяет регистрировать как относительное изменение температуры, так и абсолютное ее значение.

Скорее всего, исследования с помощью диффузионного метода будут иметь ограниченное применение в клиническом использовании и наиболее оправданы в лабораторной практике на неподвижных объектах. Метод удовлетворителен при работе с объемными опухолями, но малопригоден для исследования воздухсодержащих структур.

Метод Т2 релаксации. Температурная зависимость времени поперечной релаксации 72 носит сильно нелинейный характер. По этой причине метод не считается успешным в применении к термометрии. Однако подобное температурное поведение Г2-релаксации может быть определяющей характеристикой необратимого разрушения состава ткани, например, при коагуляции. Параметр Т2 информативен для высокотемпературной гипертермии.

В последние годы уже были опробованы некоторые методы МР-термометрии. По изменению коэффициента самодиффузии в отдельных случаях удается достигать термочувствительности 0.2 °С при объеме воксела 0.3 см3. Есть сообщения об измерении температуры фазочувствительным методом с шагом лучше 1 °С с временным разрешением менее 10 сек при объеме воксела 0.05 см3. Следует отметить, что подобные исследования проводятся в рамках биомедицинских работ, в том числе, на живых тканях. При этом о результатах судят по биологическому эффекту.

Сообщения о физических модельных экспериментах на МР-томографах в области термометрии в литературе весьма малочисленны и скудны. Поэтому в настоящей работе и были предприняты систематические исследования способов МРТ-термометрии сначала на фантомах и затем на лабораторных животных. Прежде всего, для этого применялся модельный подход, в рамках которого необходимо было создать экспериментальный образец (фантом), адаптированный для работы в сильных магнитных полях МР-томографа. Далее планировали осуществить ряд экспериментов, целью которых было получение калибровочных кривых для применения в экспериментах на живых объектах.

Третья глава «Условия проведения модельных экспериментов» посвящена описанию разработанных в диссертации МРТ-совместимых экспериментальных установок для формирования и регистрации температурных полей внутри модельных образцов (фантомов).

Эксперименты проводили параллельно на двух МР-томографах: среднепольном медицинском томографе Bruker Tomikon S50 с магнитным полем 0.5 Тл (частота резонанса 21.2 МГц) и высокопольном исследовательском томографе Bruker BioSpec

70/30 с рабочим магнитным полем 7 Тл (частота 300 МГц). Проведение физических экспериментов на этих установках сопряжено с целым рядом специфических трудностей. Это небольшая зона рабочего пространства в сильном поле, требования к конструкционным материалам для любых экспериментальных приставок, дистанционность измерений, невозможность долговременного размещения в томографе нештатных устройств. Чувствительность 0.5-Тл томографа недостаточна для исследования малых объектов, поэтому МРТ эксперименты на лабораторных животных проводили на высокопольном (7 Тл) томографе.

На практике стационарные температурные картины, особенно при работе в клинических условиях, осложнены заметными флуктуациями температуры, обусловленными перфузией, изменением насыщения крови кислородом и т.п. Эти температурные искажения во время сканирования ведут к систематической ошибке измерений. Для проведения корректной MP-термометрии в рамках медицинской практики часто требуются максимально короткие сроки сканирования. Поэтому с целью поиска возможности сокращения времени сканирования и нивелирования тепловых флуктуационных эффектов была проведена серия экспериментов по оптимизации импульсных последовательностей (ИП) true FISP, RARE SE, PVMPRESS в режиме термометрии.

Рис. 1. а - модельный образец (фантом): блок стеклянных трубок с навитой в центре проволокой; 6-/ - Т1-ВИ блока, погруженного в воду, с током в проволоке, указанном на изображениях (7 Тл). Контуром выделена область артефакта, принятая для расчета размера области искажения.

Рис. 2. Зависимость величины артефакта (количества пикселов в области искажения изображений) от силы тока в проводе нагревательного элемента из 1) вольфрама Ж, 2) меди Си и 3) нихрома МСг (7 Тл).

Была рассмотрена возможность использования в системах МР-термометрии традиционных методов нагрева - тепловой диффузии от миниатюрных электронагревателей как способа доставки тепла в зону интереса. Обычно в МРТ-установках исключено помещение в рабочую зону металлосодержащих объектов по причине производимых ими нарушений однородности магнитного поля за счет возбуждения токов Фуко, ведущих к искажениям МРТ-изображений. При определённых условиях искажения могут быть малыми или доступными для моделирования с последующим их устранением как паразитных.

Этот вопрос исследован в работе с использованием стандартных для теплотехники высокоомных проводников и температурных датчиков. Описаны методики совмещения нагревателей с МРТ-аппаратурой и наблюдения тепловых эффектов, вызванных их нагревом.

Эксперимент проводили на конструкции, представляющей собой аксиально-симметричный блок стеклянных трубок с размещенным в центральной части проволочным электронагревателем. В зависимости от материала нагревателя и МРТ-режимов прослеживалась пространственно-временная динамика артефактов,

обусловленных материалом нагревательного элемента и магнитным полем электрического тока (Рис. 1). Проводили оценку погрешностей измерений (искажений), вызванных присутствием в рабочей зоне проводящих сред - вольфрама, нихрома, меди (Рис. 2).

Обработку изображений производили с помощью программы 1гс^е1 V. 1.46. Видно, что проволока из нихрома ШСг с током вносит в МРТ-изображение меньшее искажение по сравнению с вольфрамом и медью. С целью минимизации искажений, создаваемых электрическим током, нами была испытана встречная намотка проволоки, обеспечивающая самокомпенсацию индуцируемого током магнитного поля (Рис. 3).

0,50 А ^___

|

.. ¿(ШШріх ; • I

IIи

-——-»«—«і

13013 ріх ііі

П ¡1 ;; и

Одинарная намотка Встречная намотка

Рис. 3. Фрагмент блока из стеклянных трубок с двумя типами намотки проволоки. Контуром выделена область артефакта, принятая для расчета размеров области искажений.

На Рис. 4 представлен график зависимости величины артефакта от силы тока в 0.2-мм ШСг проволоке при прямой (1) и встречной намотках (2) в магнитном поле 7 Тл. Из графика видно, что подобный метод эффективен — при встречной намотке артефакты от электрического тока в проволоке снижаются более чем в 2 раза.

В результате были найдены способы снижения влияния артефактов на МРТ-изображениях варьированием ВАХ (вольт-амперной характеристики) цепи нагревательного элемента, применением бинарной (встречной) намотки провода и смещением зоны сканирования для подавления РЧ наводки от проводов, питающих нагревательный элемент и температурные датчики. Была исследована также

работоспособность температурных датчиков в условиях сильных магнитных полей и установлены условия их устойчивой работы.

Рис. 4. Зависимость величины артефакта (количества пикселов в области искажения изображений) от силы тока в 0.2-мм МСг проволоке при прямой (1) и встречной (2) намотках.

По результатам описанных экспериментов с целью дальнейшего использования в режиме МР-термометрии для создания электронагревателя была выбрана проволока из нихрома МСг толщиной 0.2 мм, поскольку нихром создает наименьшую степень искажения МРТ-изображения при сканировании. При изготовлении нагревательного элемента использовали экспериментально опробованную встречную намотку проволоки.

С учетом накопленных данных была разработана МРТ-совместимая экспериментальная установка, способная работать в условиях сильных магнитных полей (до 7 Тл) и позволяющая создавать и регистрировать температурные поля внутри модельных жидкостных объемов (Рис. 5 и 6).

На Рис. 5 представлена схема установки для создания аксиально-симметричного температурного поля, вертикального температурного градиента,

горизонтального температурного градиента и горизонтального температурного

градиента с перегородками.

плата сбора данных 4

Рис. 5. Схема установки для создания и регистрации аксиально-симметричных тепловых полей (а) и вертикального температурного градиента (б). 1 - жидкостная кювета, 2 - планка с температурными датчиками, 3 - нагревательный элемент («теплый пол»), 4 - плата сбора данных, 5 — источник питания.

Рис. 6. Схема установки для создания и регистрации статических тепловых полей различных интенсивностей: 1 - кювета с водой, 2 - нагревательный элемент, 3 -температурный датчик, 4 - цифровой мультиметр, 5 - источник питания.

Для формирования стационарных тепловых полей различных интенсивностей применяли установку, изображенную на Рис. 6. Установка представляет собой кювету, заполненную водой, со встроенной в нее стеклянной пробиркой. На нижнюю часть пробирки навита проволока с высоким удельным сопротивлением (нагревательный элемент). В центре пробирки на тонком стеклянном стержне расположен миниатюрный полупроводниковый температурный датчик.

В четвертой главе описаны термометрические МРТ-эксперименты на модельных образцах (фантомах), проведенные с помощью созданной экспериментальной установки, и на малых животных.

На данной установке проведена регистрация а) стационарного температурного градиента одновременно в пяти точках пространства с различными температурами в рамках одного режима (true FISP или PVM PRESS) и б) ступенчато изменяющейся температуры с одним температурным датчиком.

Проводили целенаправленное исследование на базе MP-томографов с магнитными полями 0.5 и 7 Тл на модельных образцах с целью получения экспериментального материала, доступного для количественного анализа и дальнейшего развития MP-термометрии.

Для ускорения MP-термометрического исследования предложен метод регистрации МРТ-параметров одновременно для нескольких показателей температуры в рамках одного МРТ режима. В диссертации этот метод реализован с использованием 5 температурных датчиков для регистрации температуры в 5 точках исследуемого объема (Рис.5 б). В такой конфигурации эксперимента требовался стационарный температурный градиент, создание которого было затруднено эффектами конвекции тепла. На Рис. 5 и б представлены схемы различных конфигураций установки для создания подобного градиента - аксиально-симметричное температурное поле, вертикальный температурный градиент, горизонтальный температурный градиент и горизонтальный температурный градиент с перегородками.

В конфигурации аксиально-симметричного теплового поля планку с температурными датчиками располагали перпендикулярно плоскости нагревательного элемента на расстоянии 10 мм от нее, расстояние между датчиками составляло 10 мм. Пространственное расположение датчиков имело вид: датчик 1 и 5 — 22.3 мм от центра источника тепла, датчик 2 и 4 - 14.1 мм, датчик 3 - 10 мм. Для создания вертикального температурного градиента, датчики располагали вдоль вертикальной оси кюветы на расстоянии 10 мм от центра. Нагревательный элемент был установлен на дне кюветы, отвод тепла осуществлялся за счет теплообмена с окружающей средой. Расстояние между нагревателем и поверхностью составляло 60

мм. Для термометрических МРТ-исследований хорошо подходит случай с горизонтальным температурным градиентом и применением затрудняющих конвекцию перегородок.

Такая конфигурация установки равносильна 5 объемам с общими стенками. Тепло от электронагревателя распространяется от объема к объему с дискретным понижением температуры. В каждом объеме температура квазиравновесна. Эффекты конвекции при такой конфигурации нивелируются.

Каждый из 5 температурных датчиков регистрирует равновесные температуры в 5 точках объема кюветы. По совокупности результатов описанного эксперимента определены основные требования к модельной системе данного типа: а) исследуемое вещество должно обладать высокой вязкостью и низкой теплопроводностью, б) для устранения эффектов конвекции необходимо секционирование.

Для количественного определения Т1 применяли быструю ИП инверсии-восстановления true FISP (3 накопления, 0.1 см/пиксел, 13 шагов) с автоматической перестройкой параметров последовательности в пределах одного режима (с возрастающими временами инверсии). В методе химического сдвига использована ИП PVM PRESS (32 накопления при зоне сканирования 10*10*10 мм3). По совокупности измерений установлен линейный температурный рост обоих параметров, составивший 6.8 мс/°С (с точностью 3%) для 77-релаксации и 0.02ррт/°С (с точностью 2.5 %) для химического сдвига (Рис. 9).

На Рис. 7 представлены экспериментальные релаксационные кривые, снятые при четырех различных мощностях нагрева (0, 2, 4, 6, 8 Вт), т.е. при температурах 14, 27, 37, 51 °С. Времена продольной релаксации для растительного масла (фантом, имитирующий жировую ткань, содержащуюся в живых объектах) составили соответственно 383 ± 12 мс, 477 ± 15 мс, 477 ± 15 мс, 607 ± 13 мс, 644 ± 20 мс. Отмечаем увеличение ошибки измерений с ростом температуры.

Далее были получены ЯМР-спекгры растительного масла с помощью ИП PVM PRESS. Для определения сдвига линии резонанса при изменении температуры были установлены следующие параметры последовательности: коэффициент усиления ресивера 7, 32 накопления - определяет уровень сигнал/шум, ТЕ = 20мс, TR= 2500мс, объем воксела 10x10*10 мм3. Время сканирования при данных параметрах составило 60 секунд, при точности измерений 5 %. На Рис. 8 представлен ЯМР-спектр растительного масла, полученные при трех различных температурах -33, 38 и 45 "С. Соответствующие этим температурам значения S в ррт: -3.72±0.05 ррт, -3.84±0.05ррт, -3.97±0.05ррт. Обработка спектров была проведена с помощью приложения TopSpin v2.0. Значения частоты резонанса в координатах ррт, приведенные выше, определяли после фазовой коррекции спектра.

. 480

<L>

° 440-1 ca

ra 400-1

360320

280-

н о о

о

5 160 ь

I 120-

—'.......1 V 1 —1 "" 1 - ■ ■ 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 „ Т^ 51 °С, Т1 = 644±20 МС~:

о Т= 37 °С, Т1 = 607±13 Л1С-

о / о / о Т = 27°С, Т1 = 477±15мс.

/ е / Та= 14 °С, Т1 = 383±12мс~

/о / > и о -

-

ш м •

сг

л Г = .-И-lcCl-2ехр(-г/Гг)| _

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

МС

Рис. 7. Релаксационные кривые для расчета времен продольной релаксации 77 растительного масла при температурах 14, 27, 37, 51 "С.

т—1—i—1—1—1—I—1—I—

Т=33 °С, S = -3. -2 ± 0.05 ppnf T=3S °С, с> = -3.84 ± ft 05 ррпг Т=45 °С, д = -3.97 ±0.05 ppnt

4.2 -4.4 -4.6 -4.8 -5.0

5, ppm

Рис. 8. Изменение химического сдвига линии протонов 1Н в растительном масле при изменении температуры. ИП PVMPRESS (7 Тл).

Е-

600-

550-

500-

450-

400-

Т, °С

Т, °С

Рис. 9. Температурные зависимости времени продольной релаксации 27 (ИП true FISP) и величины химического сдвига 5 для растительного масла.

Проведен анализ полученных результатов в рамках представления о тепловом перераспределении спинов по зеемановским энергетическим уровням и соответствующем энергетическом обмене системы спинов со средой, в которой они находятся. Как наиболее вероятная причина температурной зависимости химического сдвига - температурное изменение электронного экранирования протонов.

Полученные графики зависимости 77 и химического сдвига от температуры могут быть использованы в качестве калибровочных кривых для прогнозирования и определения температуры в зоне интереса. Уравнение калибровочной прямой Т1 от Т для растительного масла (фантом, имитирующий жировую ткань):

Г1 = 286.79 + 7.26 Г, где Г— температура в градусах Цельсия.

Уравнение калибровочной прямой химического сдвига дН20-СН2 от Т для растительного масла:

5Н2о-сн2 = 3-043 + 0.02Г.

Экспериментальная проверка показала линейную зависимость времени продольной релаксации 77 и химического сдвига <5 от температуры в зоне интереса для широкого диапазона температур. Построение подобных калибровочных графиков для различных сред, имитирующих биологическую среду, позволяет проводить прогнозирование температуры в зоне интереса и использовать при разработке термометрических методов на живых системах.

МР-термометрия лабораторных животных. Зависимость параметров ЯМР от температуры позволяет перенести опыт модельных экспериментов на живые системы. Данный параграф посвящен описанию термометрических МРТ-экспериментов, проведенных на лабораторных животных.

Температура тканей головного мозга зависит от различных механизмов терморегуляции, экзо- и эндотермических биохимических процессов. Эти факторы могут существенно изменяться при различных патологиях (например, при ишемии) и приводить к изменению температуры ткани.

В качестве лабораторных животных использовали половозрелых крыс-самцов \У1з1аг. 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.

Для обездвиживания крыс во время эксперимента применяли газовую смесь изофлуран (Ьо/1игапе), подводимую с помощью специального оборудования к голове животного. К платформе, на которой располагалось животное, по трубкам подавалась подогретая вода для предотвращения переохлаждения и поддержания постоянной температуры тела крысы внутри томографа.

Локальная ишемия головного мозга вызывалась путем окклюзии правой средней мозговой артерии (СМА) с помощью нейлонового микрофиламента. Спустя

60 минут филамент удаляли и проводили МРТ сканирование с определением локализации области ишемии, из которой получали локальные 'Я ЯМР спектры.

Большой круг ЯМР исследований основан на измерении смещений резонансной частоты протонов 'Н, в частности, протонов воды, при повышении температуры. Это происходит, в основном, за счет изменения константы экранирования в результате разрыва, растяжения или изгиба водородных связей. В результате имеет место линейная зависимость химического сдвига спектральной линии воды от температуры, по крайней мере, до 80 °С. Достоинством такой методики является постоянство температурного коэффициента этой зависимости для большинства типичных тканей, что продемонстрировано на модельных объектах и тканях различных типов in vivo и ex vivo.

Суть метода заключается в использовании в качестве температурного зонда имеющегося в исследуемой ткани эндогенного вещества, стабильного относительно большинства физиологических факторов и имеющего химический сдвиг ЯМР спектральных линий, не зависящий от температуры. Для ЯМР-спектроскопии такими веществами выступают основные метаболиты головного мозга, которые содержатся в достаточном для регистрации эффекта количестве.

Рис. 10. Схема МР-термометрических экспериментов на крысах: внутренняя температура тела регистрировали ректальным датчиком, ЯМР-спектры измеряли в подкорковой области головного мозга (на рисунке выделена штриховой линией).

В работе сравнивали спектры метаболитов №ацетиласпартата ЫАА, холина Ого и креатина Сг в области ишемии и здоровой ткани головного мозга крыс (Рис. 10).

Зависимость температуры Т в зоне интереса от химического сдвига 5 пары «вода -метаболит» выражается с помощью следующего линейного уравнения:

Т = Т0 + а X (5(вода_метаболит)_ 5о)>

где Т - температура в °С; То - нормальная температура в зоне интереса, в нашем эксперименте равна 36°С в головном мозге крысы; а — коэффициент корреляции, определяемый эмпирически для каждого метаболита; 5о - разность химических сдвигов «вода - метаболит» при нормальной температуре в зоне интереса.

На основе результатов экспериментов с модельными средами, содержащими выбранные метаболиты (ЫАА, Сг, Ого), были получены эмпирические формулы для вычисления температуры в зоне интереса (Табл. 1):

Метаболит а, °С/ррт О (вода — метаболит) при 36 "С, ррт Эмпирическая формула для расчета температуры в °С

NAA - 103.80 ± 1.90 2.676 ±0.001 Г = 313.77- (103.80 SH20-í¡aa)

Сг - 101.70 ± 1.72 1.659 ±0.001 Т = 204.72- (101.70 8mo_Cr)

Cho - 106.08 ±2.07 1.476 ±0.001 Т = 192.57- (106.08 SHZO_cho)

Табл. 1. Сводная таблица результатов модельных экспериментов на фантомах.

ЯМР эксперименты проводили в три этапа: получали локальные 'Н ЯМР спектры головного мозга крысы и показатели ректального термодатчика 1) до операции (норма), 2) во время окклюзии СМА (ишемия), 3) сразу после удаления филамента (реперфузия).

На Рис. 11 представлены спектры 'Н головного мозга крысы в зоне ишемии в подкорковом слое. Локализация зоны интереса размерами 2.6x2.6x2.6 мм3 осуществлялась за счет применения в ИП PRESS (Point Resolved Spectroscopy) градиентных полей. Калибровка производилась по спектральной линии воды и относительно ее максимума на каждом этапе наблюдалось смещение линии метаболита.

Рис. 11, Локальные 'Н ЯМР спектры головного мозга крысы: до операции (норма), во время окклюзии СМА (ишемия), сразу после извлечения филамента (реперфузия). Максимум спектральной линии воды соответствует значению 4.7 ррт.

Как видно из Рис. 11, в остром периоде ишемии отмечается существенное увеличение Lac, относительно постоянное содержание NAA и Cho, уменьшение Cr, а также значительное увеличение отношения Lac/Cr в зоне ядра инсульта.

Эмпирические формулы для расчета температуры в зоне интереса были проверены в эксперименте по созданию локальной ишемии в головном мозге крыс. Результат измерения температуры, определяемой исходя из вариаций химического сдвига спектральной линии метаболитов, представлен на Рис. 12 и 13.

Отметим, что кривые на Рис. 12 хорошо согласуются с литературными данными инвазивных (термозондовых) измерений: в зоне ишемии температура может опускаться до 32.5 ±0.5 °С. Сразу после удаления филамента, перекрывающего сосуд, температура восстанавливается за счет частичного или полного восстановления кровотока, что подтверждается и расчетами на основе ЯМР спектров.

40-1 39383736-Оз5Н 34

зз Н

32 31 Ч зо

ї Ї 5

а 5

5 5

2 й Л 5

А В

10 20 30 40 50 норма —

10 20 30 40 50 -ишемия —

I, тт

І 0 20 30 40 5о'60 - реперфузия

Рис. 12. График изменения температуры в зоне ишемии на протяжении эксперимента. Точки А - температура в зоне ишемии, рассчитанная по формуле для А'АА, точки В — показания ректального термодатчика. 40

О

39 38 37 36

Е-Г

-35

34 -33

32 4

31

1 ИАА Сг СЬо

1

#1

норма

ишемия | реперфузия

Рис. 13. Результат измерения температуры, определяемой исходя из вариаций химического сдвига спектральной линии метаболитов ИЛА, Сг, С1го.

Заключение

Таким образом, в результате модельных экспериментов получен положительный ответ на вопрос о возможности мониторинга тепловых полей непосредственно в процессе МРТ-исследований. Одним из вариантов системы МР-термометрии модельных объектов может быть методика, основанная на традиционных методах нагрева исследуемых фантомов с помощью электронагревателей. Этим способом можно создавать температурные поля различных форм и интенсивностей, а также в реальном времени изменять граничные условия используемой термодинамической модели. Посредством измерения таких контролируемых параметров системы, как мощность источника тепла и охлаждающего элемента (при температурном градиенте), геометрическая конфигурация среды и т.п., можно детально исследовать базовые принципы МР-термометрии.

Эксперимент in vivo на лабораторных животных в режиме локальной ЯМР спектроскопии показал, что метод химического сдвига позволяет по амплитудно-частотному ЯМР спектру (химсдвигу и соотношению спектральных линий) определять как метаболический портрет, так и температуру выделенной ткани. Построение калибровочных кривых позволяет прогнозировать температуру в зоне интереса и получать информацию не только об относительном изменении температуры, но и корректно измерять ее абсолютное значение. Результаты исследования могут использоваться в качестве ориентиров при разработке медицинских методов МР-термометрии для практического применения в биомедицинских исследованиях и клинической практике (гипо- и гипертермии, радиационной медицине, диагностике заболеваний).

Выводы

1. Проведен экспериментальный анализ параметров ЯМР, чувствительных к температуре, и проведена апробация термометрических методов на их основе, включая адаптацию этих методов для МРТ-сканирования. Продемонстрирована высокая надежность и информативность методов термометрии, основанных на отслеживании температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига.

2. Разработана и опробована в магнитных полях 0.5 и 7 Тл экспериментальная установка для создания и регистрации тепловых полей, адаптированная для работы в условиях МРТ-сканирования.

3. Показана эффективность развитого экспериментального подхода с применением модельных ткань-эквивалентных образцов (фантомов) для

разработки, апробации и внедрения в практику неинвазивных способов МРТ термометрии.

4. Получены температурные зависимости времени продольной релаксации 77 и химического сдвига для ткань-эквивалентных материалов в модельных экспериментах. Показана линейная зависимость этих параметров на большом диапазоне температур.

5. Показана эффективность МРТ-термометрии на основе анализа линейно зависящих от температуры параметров (ГУ, химический сдвиг) включая диапазон, представляющий интерес для медицины.

6. Эксперименты по локальной ЯМР спектроскопии in vivo на лабораторных животных показали, что параметры ЯМР спектра (распределение химсдвигов и интенсивностей пиков) дают информацию не только о метаболитах, но и температуре исследуемой ткани.

Публикации по теме диссертации в журналах из перечня ВАК РФ

1. Гуляев М.В., Какагельдыев С.К., БатоваС.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.

2. Волков A.A., Какагельдыев С.К., Прохоров A.C., Пирогов Ю.А. Традиционные методы нагрева в применении к магнитно-резонансной термометрии // Радиоэлектроника: электронный журнал, №1, 2012, URL: http://ire.cplire.ru/ire/ianl2/12/text.htinl

3. Гуляев М.В., Ханов С.К., Наместникова Д.Д., ГубскийЛ.В., Чжоу Фушан, Пирогов Ю.А., ПанченкоВ.Я. Магнитно-резонансная термометрия головного мозга крыс методом локальной ЯМР спектроскопии // Радиоэлектроника: электронный журнал, №10, октябрь 2013, URL: http://ire.cplire.ru/jre/octl 3/11/text.html

Другие публикации автора по теме диссертации

4. Какагельдыев С.К., Петрусевич Ю.М., Анисимов Н.В. Релаксационные карты как способ получения оптимального контраста в изображениях магнитно-резонансной томографии // Сборник материалов 3-го Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010», г. Москва, том 1, с. 55-56.

5. Волков A.A., Какагельдыев С.К., Магнитно-резонансная термометрия // Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2011», г. Москва, 2011, с. 25-26.

6. Волков А.А., Какагельдыев С.К., Прохоров А.С., Никифоров В.Н., Пирогов Ю.А. Традиционные методы нагрева в применении к магнитно-резонансной гипертермии И Электронный сборник материалов научно-практической конференции «Инновационный проект 2011», г. Москва, 2011 г.

7. Волков А.А., Капралов П.О., Какагельдыев С.К., Пирогов Ю.А. Традиционные методы нагрева в применении к магнитно-резонансной гипертермии // Сборник материалов 8-й Зимней молодежной школы-конференции «Spinus 2011», г. Санкт-Петербург, с. 134.

8. Какагельдыев С.К., Волков А.А., Пирогов Ю.А. Методы регистрации температурных полей в применении к магнитно-резонансной термометрии // Электронный сборник материалов Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов — 2012», г. Москва, Изд. МГУ.

9. Какагельдыев С.К., Волков А.А. Применение традиционных методов нагрева в магнитно-резонансной термометрии // Сборник материалов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5), г. Троицк, 2012, том 1, с. 107-109.

10. Волков А.А., Какагельдыев С.К., Пирогов Ю.А., Прохоров А.С., Анисимов Н.В. Магнитно-резонансная томография тепловых эффектов в модельных средах // Сборник материалов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5), г. Троицк, 2012, том 1, с. 16.

11. VolkovA.A., Kakageldyev S.K., Pirogov Yu.A., Prokhorov A.S. Magnetic-resonance thermometry in model media // International Symposium and Summer School in Saint Petersburg «NMR in Heterogeneous Systems», Saint Petersburg, 2012. Book of Abstract: c.126.

Подписано к псчзтн і 5.11.13 Тнрзж 100 Зпгпч 1*73

Отп с*їз.тіно а отделе оперативной печати

физического факультета МГУ

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Ханов, Сердар Курбанович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА»

МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙ ВРЕМЕНИ ПРОДОЛЬНОЙ РЕЛАКСАЦИИ И

ХИМИЧЕСКОГО СДВИГА

физический факультет

04201365494

Наг кописи

Ханов Сердар Курбанович

Специальность 03.01.01 - радиобиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор Ю.А. Пирогов

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК АББРЕВИАТУР.................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

Глава 1. Основные принципы магнитно-резонансной томографии............10

1.1 Определение магнитно-резонансной томографии.......................................................................10

1.2 ЯМР-сигнал.......................................................................................................................................11

1.3 Спад свободной индукции...............................................................................................................14

1.4 ЯМР-релаксация...............................................................................................................................15

1.5 Импульсные последовательности...................................................................................................20

1.6 Пространственное детектирование избранных спинов................................................................28

1.7 Построение MP-изображения.........................................................................................................30

Глава 2. Проблема применения МРТ для термометрии...............................31

2.1 МРТ как неинвазивный способ регистрации температурных полей..........................................31

2.2 Современное состояние медицинской термотерапии...................................................................31

2.3 Проблема контроля температуры при термотерапии...................................................................37

2.4 Анализ термочувствительных параметров ЯМР и методов на их основе..................................41

2.4.1. Метод химического сдвига..........................................................................................................41

2.4.2. Метод Т1-релаксации...................................................................................................................48

2.4.3. Диффузионный метод..................................................................................................................52

2.4.4. Метод Т2 релаксации...................................................................................................................54

Глава 3. Условия проведения модельных экспериментов............................55

3.1 Конфигурация МРТ аппаратуры.....................................................................................................55

3.2 Импульсные последовательности, используемые в работе.........................................................58

3.3 Особенности МРТ-реализации фазового кодирования................................................................64

3.4 Определение 77- и Г2-релаксационных характеристик...............................................................64

3.5 Технические требования к устройствам для совместимости с МРТ...........................................66

3.6 Артефакты на МРТ-изображениях от металлосодержащих материалов....................................70

3.7 Установка для создания и регистрации стационарных температурных полей различной интенсивности........................................................................................................................................76

3.8 Установка для создания и регистрации квазистационарного температурного градиента........79

Глава 4. MP-термометрия модельных образцов и лабораторных животных...........................................................................................................84

4.1. МРТ-термометрия модельных образцов методами Т1 релаксации и химического сдвига.........84

4.1.1. МРТ-регистрация стационарного температурного градиента.................................................84

4.1.2. Термометрия стационарных температурных полей различных интенсивностей..................89

4.2. МР-термометрия лабораторных животных......................................................................................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................104

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................................105

ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ...................................................................................106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................107

СПИСОК АББРЕВИАТУР

MP - магнитно-резонансный

MPT - магнитно-резонансная томография

ЯМР - ядерный магнитный резонанс

РЧ - радиочастотный

ИП - импульсная последовательность

ВАХ - вольт-амперная характеристика

Т1-ВИ- Т1-взвешенное изображение

Т2-ВИ- Г2-взвешенное изображение

77 - время спин-решеточной релаксации

Т2 - время спин-спиновой релаксации

ТЕ - Time Echo (время эхо)

77- Time Inversion (время инверсии)

TR - Time Repetition (время повторения)

SE - Spin Echo (ИП спин-эхо)

FSE - Fast Spin Echo (ИП быстрое спин-эхо)

MSME - Multi Spin Multi Echo (ИП мульти-спин-мульти-эхо)

GE - Gradient Echo (ИП градиентное эхо)

IR - Inversion Recovery (ИП инверсия-восстановление)

RARE - Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement (ИП быстрого

сканирования, аналогичен ИП FSE)

ROI- region of interest (зона интереса)

FOV- field of view (поле зрения)

FISP - Fast Imaging with Steady State Precession

PVM PRESS - Para Vision Methods Point Resolved Spectroscopy

ВВЕДЕНИЕ

Работа посвящена проблемам регистрации температурных полей внутри биоорганических сред методом магнитно-резонансной томографии (МРТ). В настоящее время МРТ широко используется в медицинской диагностике благодаря безопасности и высокой информативности исследования. Потенциальные возможности МРТ в медицине обширны и далеко не все реализованы. МРТ-термометрия актуальна для различных областей медицинской практики - это и медицинская термотерапия (гипо- и гипертермия), основанная на соответствующих биологических эффектах в условиях пониженной или повышенной температуры, и диагностика различных заболеваний, имеющих отличные от здоровых тканей температурные показатели (опухолевые процессы, ишемия и др.). Разработка бесконтактных методов термометрии также актуальна для радиационной медицины и радиобиологических исследований. По данным исследований [Levendag P.C., 1992; Tsafnat N., 2005] комбинация радиационного облучения с термотерапией имеет явные преимущества по сравнению с просто повторным облучением. В недавней работе [Rieke V., 2008] приведена положительная статистика по методам радиотерапии с применением гипертермии. Тепловое воздействие предполагает строгий контроль температуры в зоне нагрева. Обычно его производят с помощью термозондов - датчиков, работающих в режиме тепловых болометров. Такой локальный и инвазивный способ регистрации температуры, как правило, не охватывает всю зону температурного воздействия, а во многих случаях совершенно невозможен из-за несовместимого с жизненными функциями повреждения тканей. Дополнительные сложности контроля температуры возникают из-за неоднородности исследуемых тканей и механизмов отвода тепла живыми системами. Основными факторами, ограничивающими применение многих современных видов термотерапии в медицине, являются инвазивность и инерционность при определении температуры в зоне интереса, невысокая точность получаемых данных. В этой

связи представляется особенно актуальным развитие неинвазивных методов контроля температурных полей и включение их в медицинскую практику.

Развитие бесконтактных термометрических методик на основе МРТ, за счет чувствительности к температуре параметров ЯМР, позволило бы значительно расширить функционал современных MP-исследований в области медицинской термотерапии. Для этого требуется применение специальных методических подходов для надежной регистрации эффекта. Попытки решить эту задачу проводятся во всем мире. Однако, установление общих закономерностей регистрации температурных полей методом МРТ происходит в рамках разнообразных биомедицинских исследований, как правило, на сложных объектах, путем медленного накопления опытных фактов, получаемых на разных томографах, что делает получаемые экспериментальные данные специфичными и трудно сопоставимыми.

В работе проводится целенаправленное исследование на базе МР-томографов с магнитными полями 0.5 и 7 Тл на модельных образцах с целью получения экспериментального материала, доступного для количественного анализа и дальнейшего развития МР-термометрии.

Целыо работы стала разработка подходов к решению актуальной для МР-термометрии проблемы: неинвазивное измерение температурных полей внутри биологических тканей in vivo методом МРТ на основе регистрации температурной зависимости параметров ЯМР - времени продольной релаксации и химического сдвига.

Решаемые задачи

1. Проведение анализа параметров ЯМР, чувствительных к температуре в зоне интереса, и изучение возможностей методов, способных регистрировать эти параметры с высокой точностью.

2. Создание термометрической установки для модельных измерений, способной работать в MP-томографах не только в слабом (0.5 Тл), но и

сильном магнитных полях (до 7 Тл) и позволяющей проводить надежные измерения температуры как контактным, так и МРТ методом.

3. Исследование температурных зависимостей параметров ЯМР на модельных образцах.

4. Анализ и выявление эффективных методов МРТ термометрии на основе полученных экспериментальных данных.

5. Проведение экспериментов in vivo на лабораторных животных в режиме локальной ЯМР спектроскопии.

Научная новизна работы

Предложен модельный подход с применением фантомов для дальнейшего развития и применения МР-термометрии в практике. Для достижения поставленной цели были разработаны и созданы МР-совместимые экспериментальные установки, способные работать в сильных магнитных полях (до 7 Тл).

Экспериментальным путем были установлены наиболее эффективные методы МР-термометрии, показывающие линейную зависимость соответствующих параметров ЯМР от температуры практически на всем диапазоне температур, применяющихся в медицинской практике.

Разработан метод локальной ЯМР спектроскопии, позволяющий в малом объеме живой ткани определять ш vivo не только температуру ткани по изменениям химического сдвига, но и метаболический портрет процессов внутри выделенного воксела.

Практическая значимость результатов исследования

Продемонстрирована эффективность использования модельного подхода в развитии методов МР-термометрии. Результаты диссертационного исследования могут использоваться в качестве ориентиров при разработке медицинских методов МР-термометрии для практического применения: в медицинских

гипертермических методах, а так же для диагностики патологических образований, характеризующихся отличной от здоровых тканей температурой.

Личный вклад

Приведенные в диссертации результаты исследований температурных зависимостей параметров ЯМР на фантомах и лабораторных животных in vivo получены автором лично, постановка экспериментов и их анализ выполнены вместе с соавторами публикаций в равных долях участия.

Основные положения, выносимые на защиту

Наиболее эффективными и корректными способами МРТ-термометрии являются измерения температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига характерных линий в локальном ЯМР спектре.

Модельные эксперименты и измерения in vivo показали высокую достоверность получения данных исходя из установленных температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига.

Локальная ЯМР спектроскопия in vivo с выделением анализируемого воксела посредством неоднородных магнитных полей позволяет по характеристикам ЯМР спектра (химсдвигу и распределению интенсивностей спектральных линий) определять не только метаболический портрет, но и температуру выделенной ткани.

Апробация работы

Результаты исследований были доложены на 3-ем Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (Москва, 21-26 июня 2010 г.), международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2011» (Москва, 11-15 апреля 2011 г.) и «Ломоносов-2012» (Москва, 9-13 апреля 2012 г.), научно-практической конференции «Инновационный проект 2011» (Москва, 11 октября 2011 г.), конференции Spinus 2011 (Санкт-Петербург, 27 ноября - 3 декабря 2011 г.), V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине»

(ТКМФ-5) (г. Троицк, 4-8 июня 2012 г.), International Symposium and Summer School in Saint Petersburg «NMR in Heterogeneous Systems», the 9th meeting: «NMR in Heterogeneous Systems» (Санкт-Петербург, 9-13 июля 2012 г.).

Публикации

Результаты диссертации отражены в 11 публикациях - 3 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и 8 в тезисах и трудах перечисленных конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 113 стр., иллюстрирована 51 рисунком и 1 таблицей. Список цитируемой литературы включает 72 наименования, в том числе 60 иностранных.

Глава 1. Основные принципы магнитно-резонансной томографии

1.1 Определение магнитно-резонансной томографии.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР), используется, главным образом, для визуализации внутренних органов человеческого тела, а также животных. [Jones R.A. et al., 1996; Hornak J.P., 1997]. ЯМР-сигнал способны производить ядра с ненулевым спином, помещенные в постоянное магнитное поле В, в котором магнитные моменты ядер ориентируются параллельно и антипараллельно полю В. Этим ориентациям соответствуют дискретные уровни энергий с интервалом АЕ ~ уцВ. Тогда при наложении дополнительного переменного магнитного поля с частотой со — уВ (у-гиромагнитное отношение) они резонансно поглощают/переизлучают электромагнитную энергию. Характеристикой ядер в отношении ЯМР является их магнитный момент //, типичные величины которого для наиболее используемых в медицине ядер составляют ju= 2.7-10"8 рад/(Тл-с) для !Н, и ju = 0.67-10"8 рад/(Тл-с) для 13С. В постоянном поле 1 Тл ЯМР на протонах реализуется на радиочастоте 42.58 МГц.

Наблюдение ЯМР возможно для всех ядер второй и третьей групп таблицы Менделеева. Ядерный спин изотопов с четным числом протонов Z и четным числом нейтронов N равен нулю. На таких ядрах, типа ,2С 160, ЯМР принципиально не наблюдаем. Для наблюдения доступны группы ядер с четным Z и нечетным N или, наоборот, с нечетным Z при четном N.

Для описания явления ЯМР применяется два подхода - классический и квантовомеханический. С позиций квантовой механики угловой и магнитный моменты квантуются, т.е. имеют только дискретные значения. Величина проекции магнитного момента Zju = укт1/2ж. Для протонов она составляет ± уУ2к. В отсутствие внешнего магнитного поля спиновые состояния вырождены по энергии. При приложении к системе спинов внешнего магнитного поля В0 вырождение снимается, и ядра с направленными «по полю» и «против

поля» магнитными моментами оказываются в состояниях с разной энергией. Для всей системы ядер возникает возможность энергетических переходов с одного уровня на другой. Работа двухуровневого перехода составляет физическую основу спектроскопии ядерного магнитного резонанса и МРТ. Следует особо отметить, что МРТ для медицинских целей естественным образом ориентирован на использование его при комнатной температуре (хотя сам источник постоянного магнитного поля, как правило, находится при температуре жидкого гелия).

Особенностью МРТ, отличающей его от других томографических методов и позволяющей без особых ограничений использовать МРТ для исследования живых тканей, является малость в условиях ЯМР энергетического возмущения АЕ исследуемой системы: АЕ ~10'5 кТв случае ЯМР на фоне АЕ ~10~3 кТ для ЭПР или АЕ ~105 кТ для рентгеновского анализа.

1.2 ЯМР-сигнал

Как было сказано выше, в ЯМР томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер - водорода 'Н, 2Н, углерода 13С, азота 14N, фтора 19F, натрия 23Na, фосфора 31 Р. Чаще всего используют протоны водорода 'Н по причине их высокого естественного содержания в биологических тканях [Heshemi Н. et al., 2004; Марусина М.Я. и др., 2006]. Магнитный резонанс для ядер обусловлен наличием у этих частиц спиновых магнитных моментов. Последовательное описание магнитного резонанса возможно только на основе квантовой механики. Ряд важных понятий вытекает, однако, из электродинамики макроскопической системы зарядов.

Магнитный момент вводится для систем зарядов, движущихся стационарно в ограниченном объеме, как:

где еп - заряд, тп - радиус-вектор заряда с номером п, уп - скорость. Если все заряды и их массы одинаковы, то (1.1) можно переписать как:

М = 1/2c%nenrn X ц

п>

(1.1)

(1.2)

где в = Епгп х Рп ~ механический момент импульса системы, у = е/2тс -гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между механическим и магнитным моментами.

Взаимодействие магнитного момента с полем описывается гамильтонианом в квантовомеханической интерпретации в трехмерной системе координат с направлением магнитного поля вдоль оси

* = (1.3)

Гамильтониан имеет два собственных значения (два уровня энергии) и две собственные волновые функции [Дзюба С.А., 1994]. В отсутствие магнитного поля система вырождена по энергии, а при наложении поля вырождение снимается и происходит расщепление уровней {рисунок 1.1).

1/2 $ДО ({Х> ^

4/2

В отсутствие ^-— I Р> Ир

пшш В магнитной поле

Рисунок 1.1. Квантовая система ядерных спинов а) �