Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан


Д. Никифоров и др.
ЭКО: длинная история короткой встречи


А. Никонов
Небывалое бедствие в селе Кашкаранцы


Л. Сасскинд, Дж. Грабовски
«Теоретический минимум». Глава из книги


А. Сергеев, А. Благодатский
Насекомые и бионика: загадки зрительного аппарата


Л. Смолин
«Возвращение времени». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Новый вид магнитно-резонансной томографии помогает изучить процесс дыхания


Внешний вид слабопольного магнитно-резонансного томографа с гиперполяризованным гелием (фото из обсуждаемой статьи)
Внешний вид слабопольного магнитно-резонансного томографа с гиперполяризованным гелием (фото из обсуждаемой статьи)

Новый вид магнитно-резонансной томографии впервые позволил увидеть воздействие силы тяжести и позы человека на форму и вентиляцию легких. В перспективе эта методика позволит изучить характер вентиляции легких у астматиков и тучных людей при смене положения, а также оптимизировать выполнение сложных хирургических операций и контролировать процесс дыхания критически больных пациентов прямо в палате интенсивной терапии.

В физиологии человека долгое время оставался малоизученным вопрос: как дыхание зависит от силы тяжести и положения человека в пространстве (вертикальное, горизонтальное на спине или на животе, наклонное, вниз головой и т. д.)? При изменении позы внутренние органы смещаются под действием силы тяжести, изменяя рабочий объем легких и влияя на физиологию дыхания. Понимание этой зависимости позволит оптимизировать проведение сложных хирургических операций, а быстрый и эффективный мониторинг легких прямо в палате интенсивной терапии может помочь пациентам в критическом состоянии. Это особенно важно для беременных женщин, для людей, страдающих ожирением и одышкой, а также для астматиков.

Главная причина недостаточной изученности этих вопросов кроется в том, что используемые методы наблюдения за вентиляцией легких сильно ограничивают пациента в движении — практически всегда речь идет о наблюдении за легкими горизонтально лежащего пациента.

Лишь в последние годы, с разработкой слабопольной ЯМР-томографии с гиперполяризованным гелием, стало возможно наблюдать за изменениями в физиологии дыхания при смене положения внутри одной и той же установки. Первые результаты такого исследования, проведенного гарвардскими учеными, появились в недавнем препринте Arxiv:0707.3455.

Томография с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основана на том, что атомные ядра во внешнем магнитное поле прецессируют. Частота прецессии зависит от сорта ядра и от величины внешнего магнитного поля. Если теперь создать небольшой импульс радиоволн на частоте, совпадающей с этой частотой прецессии, то он вступит в резонанс с этими ядрами и быстро ими поглотится. Можно создать такое распределение магнитного поля, чтобы резонанс наступал не везде сразу, а только в определенной точке организма. Тогда по величине затухания радиоимпульса можно будет получить ЯМР-отклик от этой точки, а сканируя таким образом всё тело, можно получить и цельное его ЯМР-изображение.

Чем сильнее магнитное поле, тем больше средняя поляризация вещества и тем более сильным получается ЯМР-отклик. Из-за этого в стандартной методике используются как можно более сильные поля для повышения контрастности изображения.

Стандартная методика магнитно-резонансной томографии позволяет сканировать плотные ткани, но совершенно не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких. Впрочем, ее удалось применить и к легким, перестроив ее на детектирование гелия-3 и дав пациенту вдохнуть этого безвредного газа. Однако как стандартная магнитно-резонансная, так и другие виды томографии обладают важным недостатком: в силу конструкционных особенностей установки (в частности, необходимость создания сильных магнитных полей) человек при этом вынужден лежать горизонтально. Это не позволяет проследить, как при смене позы человека изменяется рабочий объем и вентиляции легких.

Ситуация начала меняться в 1994 году, когда физики научились поляризовать гелий предварительно и лишь потом давать его вдохнуть пациенту. Такой гиперполяризованный газ очень хорошо детектируется магнитно-резонансными томографами, что резко увеличивает контрастность томографических изображений легких. Но самое главное — в этом случае уже нет нужны использовать очень сильное магнитное поле, потому что гелий заранее поляризован. А это значит, что можно сконструировать слабопольный томограф, подешевле и посвободнее. Его уже можно будет перемещать с места на место, а пациент в нём может менять позы.

Целый ряд исследовательских групп несколько лет назад приступили к созданию и испытанию таких томографов. Среди них была и группа из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) и Гарвардского университета под руководством Рональда Валсворта (Ronald L. Walsworth). В недавнем препринте Arxiv:0707.3455 были обнародованы первые научные результаты, полученные на сконструированной ими установке.

Установка гарвардских исследователей представляет собой два электромагнита, создающих поле 0,0065 Тесла, что в сотни раз слабее стандартных ЯМР-томографов. Между электромагнитами остается свободное пространство шириной почти метр; в нём размещается койка с пациентом, которая может произвольно поворачиваться в вертикальной плоскости. Система наблюдения позволяет получать изображения ЯМР-отклика гелия-3 в области размером примерно 40 см в виде картинки 256 на 256 пикселов. Для получения картинки достаточно одного вдоха смеси гелия с кислородом и задержки дыхания на 30 секунд.

Изображение легких у горизонтально (a) и вертикально (b) расположенных пациентов (фото из обсуждаемой статьи)
Изображение легких у горизонтально (a) и вертикально (b) расположенных пациентов (фото из обсуждаемой статьи)

В первой серии экспериментов, которые и были описаны в препринте, исследователи сравнивали снимки (как двумерные, так и трехмерные, разбитые на несколько слоев) для пациентов в горизонтальном и вертикальном положении и обнаружили различия в нижней части легких. У лежащего на спине человека диафрагма чуть сдавливает легкие в области живота, и они поэтому чуть удлиняются снизу, ближе к спине. Такого эффекта не наблюдается при вертикальной ориентации.

Следующим шагом станет наблюдение за тем, как яркость ЯМР-изображения уменьшается со временем. Уменьшение яркости связано с потерей гелием поляризации за счет столкновения с молекулами кислорода и значит, позволяет узнать распределение кислорода в легких. Ну и конечно исследователи будут работать над улучшением пространственного разрешения изображений. Первые эксперименты проводились пока только со здоровыми людьми, но как только методика будет отлажена, можно будет попытаться понять, к каким именно аномалиям в физиологии дыхания приводит смена позы у астматиков или тучных людей.

Источник: L. L. Tsai et al. Posture-Dependent Human 3He Lung Imaging in an Open Access MRI System: Initial Results // e-print Arxiv:0707.3455 [physics.med-ph], статья направлена в журнал Academic Radiology.

Игорь Иванов


Комментарии (8)



Последние новости: МедицинаФизикаИгорь Иванов

11.05
Аномалия в распадах B-мезонов подтверждается еще в одном эксперименте
10.05
ATLAS обновил данные по топ-антитоп-хиггс отклонению
9.05
Коллайдер набирает обороты
1.05
Поломка трансформатора на неделю задерживает работу коллайдера
27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
26.04
ATLAS не проясняет ситуацию с распадом B-мезона на мюоны
25.04
CMS выложил в свободный доступ 300 ТБ своих данных
12.04
Коллайдер не видит «двуххиггсовских» тяжелых резонансов
11.04
Коллайдер ищет невидимые частицы в данных Run 2
10.04
Прошел пробный сеанс протонных столкновений


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия