Прикладные и технические аспекты томографии ЯМР
Главный недостаток всех методов ЯМР-интроскопии – это их низкая чувствительность. Эта принципиальная особенность связана с относительно низкой частотой ЯМР, т.е. малой энергией квантов радиодиапазона.
На сегодняшний день рекордное быстродействие обеспечивает многоплоскостная ЯМР-интроскопия, при которой вся информация собирается при регистрации одного сигнала ССИ.
Основой ЯМР-томографа является спектрометр ядерного магнитного резонанса. В большинстве методов это когерентный импульсный Фурье-спектрометр, снабженный градиентными катушками и автоматической аппаратурой для сканирования и регистрации изображения на дисплее. Обычно для создания градиента поля вдоль оси z (т.е. в направлении В0) применяют две соосные катушки, включенные навстречу друг другу, а градиенты Gx, Gy создаются системой линейных токонесущих проводников, направленных вдоль поля В0.
Кроме того, аппаратура для ЯМР-томографии имеет и ряд характерных особенностей, которые определяются ее биологическими и медицинскими приложениями.
Прежде всего, размеры исследуемого образца, могут достигать полуметра (сечение тела человека). Чтобы РЧ-поле проникало не теряя однородности в такие объекты, рабочую частоту выбирают достаточно низкой – порядка 10–20 МГц.
Большой объем образца требует и специальной конструкции магнита, создающего основное поле В0. На практике приходится использовать соленоиды с воздушным заполнением (рис. 3.23). Обмотки могут быть при этом как обычными, так и сверхпроводящими.
Стабильность магнитного поля достигается путем автоматической стабилизации по опорному сигналу ЯМР. Большой объем образца требует также специальной конструкции приемной и передающей высокочастотных катушек.
Весь процесс получения изображения, включая задание определенных импульсных последовательностей, управление градиентами магнитного поля, сканирование «чувствительной» области, накопление и расшифровку выходных сигналов и тому подобное, управляется быстродействующей ЭВМ.
На рис. 3.24 представлен общий вид серийного ЯМР-томографа медицинского назначения фирмы “Siemens”.
В настоящее время наибольший интерес вызывает применение ЯМР-томографии именно в биологии и медицине. В связи с этим естественно возникает вопрос о сопоставлении метода с рентгеновской трансмиссионной КТ.
Очевидное преимущество ЯМР-томографии — отсутствие вредных для организма излучений.
Рис. 3.23. Сверхпроводящий соленоид Gelicon с индукцией до 2 Т для получения ЯМР-томограмм всего тела (Siemens)
Это снимает характерные для рентгеновских методов ограничения на длительность экспозиции, число проекций и т.п. В то же время отметим, что биологический эффект сильных переменных и постоянных магнитных полей пока изучен недостаточно, хотя накопленные данные как будто свидетельствуют об их безопасности для пациента.
Важно то, что природа контраста в ЯМР-изображениях принципиально иная, чем во всех других интроскопических методах. Возможность получения «химической карты» пациента в любом выбранном сечении — наиболее привлекательная для медицины особенность ЯМР-интроскопии.
Однако недостаточно высокая чувствительность метода ведет к относительно большим экспозициям, что связано с длительной неподвижностью пациента, ухудшением резкости изображения пульсирующих органов и т.п. В связи с этим в практике интроскопии пока используются лишь сигналы ЯМР от наиболее распространенных ядер с максимальными значениями фактора g, прежде всего, от протонов 1H (в органических веществах как раз высоко содержание водорода).
Рис. 3.24. ЯМР–томограф Magnetom SP
Исключительно важным представляется открытие Дамадиана. Он установил, что в злокачественно измененных тканях время спин-решеточной релаксации протонов t1 примерно вдвое длиннее, чем в нормальных (0,2 – 0,4 с против 0,1 – 0,2 с соответственно). Мы отмечали, что при выборе соответствующей методики в ЯМР-изображении возникает контраст по временам t1.
Для большей наглядности его подчеркивают окрашиванием ЯМР-томограммы в условные цвета, закодированные значениями t1. Надежность диагностики рака, основанной на измерении t1, пока не является абсолютной, тем не менее, по мнению специалистов, эта методика может быть полезной, например, при профилактических осмотрах. Ведется также работа по повышению ее надежности с помощью одновременного контроля значений t1 и t2.Конечно, кроме злокачественных опухолей, объектами изучения с помощью ЯМР-интроскопии могут быть также любые другие патологические изменения. В этом направлении ведутся интенсивные поиски и исследования.
ЯМР на ядрах 19F практически не уступает по чувствительности протонному, однако медико-биологические применения 19F-изображений гораздо менее перспективны из-за крайне малого содержания фтора в организме. Но безвредные соединения фтора можно вводить пациенту или подопытному животному в качестве контрастного вещества, за которым предполагается следить с помощью ЯМР-изображений. Исследуется возможность применения этого метода для визуализации потока фторсодержащих заменителей крови.
По мере повышения чувствительности аппаратуры серьезное значение приобретает ЯМР-интроскопия на ядрах фосфора. Известно, что фосфорсодержащие соединения (АТФ и ряд других) играют исключительно важную роль в энергетике и метаболизме живых организмов. Чувствительность ЯМР-спектроскопии на ядрах фосфора только на порядок ниже, чем для протонов, зато химические сдвиги линий намного больше и сильно различаются для ряда биологически важных соединений. Это позволяет получать в режиме ЯМР-томографии спектров высокого разрешения детальные химические карты метаболических процессов в исследуемом организме. Установлено, что такие спектры обладают высокой чувствительностью к патологическим изменениям при ишемии, инфаркте миокарда и др., что весьма актуально для современной медицины.
Отметим также возможность наблюдения за биохимическими процессами в выбранных сечениях живых растений в ходе вегетации; не повреждающее «просвечивание» семян с локальными измерениями концентраций и характеристик масел, белков и других веществ и т.п.
ЯМР-интроскопия со временем может оказаться эффективной при изучении микроскопических объектов, таких как клетки растений и животных, примеси и дефекты в кристаллах и т.п. В этом случае перспективным может оказаться распространение идеологии ЯМР-интроскопии на электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Так, с помощью ЭПР-интроскопии на модельном объекте было достигнуто пространственное разрешение около 10 мкм.