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


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • bozox  | 03.08.2007 | 01:11 Ответить
    Все равно полноценное исследование процесса дыхания в динамике не получится. :( 30 секунд на скан - какая уж тут динамика.
    Ответить
    • spark > bozox | 03.08.2007 | 02:52 Ответить
      В реальном времени пока что не посмотришь, согласен. И быстрые изменения при резкой смене позы тоже пока не увидишь. Однако полезно будет посмотреть хотя бы на то, в каких частях легких будет застаиваться воздух. Ну и может это время можно будет уменьшить без потери контрастности.

      А вообще вся конструкция в этой установке облегчается из-за слабого поля. Она становится уже более транспортабельной.
      Кроме того, интересно, что применение слабых полей даже кое в чем упрощает методику. Например, при обычных полях частота прецессии гелия-3 порядка десятка мегагерц, и говорят, что на таких частотах как-то "резонирует" само тело, это приходится учитывать. А при слабых полях частота прецессии становится порядка 100 килогерц, и само тело уже не мешает.
      Ответить
      • seasea > spark | 03.08.2007 | 07:24 Ответить
        А можно подробнее о предварительной поляризации гелия-3? Как это делается?
        Ответить
        • spark > seasea | 03.08.2007 | 12:32 Ответить
          Спин-обменной оптической накачкой.
          Вообще литература по этому методу довольно обширная, в особенности по обычной, не слабополевой томографии. До и картинки там получаются на редкость детальные и красивые. Так что просто поищите по ключевым словам MRI hyperpolarized helium-3.
          Вот например есть такой обзор экспреиментальной методики: http://imaging.med.virginia.edu/hyperpolarized/ref/review.pdf (1 Mb).
          Ответить
  • lesnik  | 26.08.2007 | 23:28 Ответить
    Интересно, а что при вдыхании поляризованного гелия, он не перемешивается? Или я что-то не понимаю.

    Вообще, насколько я примерно знаю, обычно при ЯМР-томографии регистрируют времена затухания прецессии магнитного момента определённого вещества, в данном случае, судя по всему, гелия. В начале магнитный момент всех атомов был направлен в одном направлении, направлении поляризации, т.е. в направлении внешнего постоянного магнитного поля. При облучении резонансным излучением (резонанс происходит между уровнями Зеемана для данного магнитного момента во внешнем поле), магнитные моменты начинают вращаться вокруг направления внешнего магнитного поля, а степень поляризации при этом уменьшается. Скажем так, сначала стрелка магнитного момента направлена вниз, посветили в резонанс, стрелка немного поднялась, стала наклонной или горизонтальной и вращается вокруг вертикальной оси. При этом регистрируется как степень поляризации вещества, так и вращающееся магнитное поле, созданное магнитными диполями. Затем резонасное излучение выключают. А на основании времени релаксации вращающегося магнитного поля и поляризации (времён, за которые поперечное вращающееся поле исчезает, это время обычно называют Т2, а поляризация во внешнем магнитном поле восстанавливается, это время называют Т1) определяют какие молекулы этот гелий окружают. В общих чертах.

    Сама величина постоянного магнитного поля, если я правильно понимаю, определяется всё той же кТ, температурой. Чтобы вещество поляризовать кТ должно быть меньше Зеемановского расщепления уровней. Но если у них получилось всё сделать в слабом поле, то, конечно, молодцы. Надо посмотреть статью.
    Ответить
    • spark > lesnik | 29.08.2007 | 12:08 Ответить
      > Интересно, а что при вдыхании поляризованного гелия, он не перемешивается?

      Да, он спонтанно деполяризуется (Вы это имели в виду?), до достаточно медленно.
      Ответить
      • lesnik > spark | 29.08.2007 | 18:42 Ответить
        Что-то мне представилось как гелий в турбулентностях, отражаясь от стенок заполняет лёгкие, а поляризация его ядер, как и скорость распространения, хаотично меняется. Конечно, это не так. Ядерные спины сравнительно сильно изолированы от окружающего мира, чего не скажешь об электронных спинах. Немного перепутал, интуиция не так сработала.
        Ответить
  • 7bera3  | 03.01.2008 | 20:46 Ответить
    rebjata s astmatikami prosto.Nie venteljacija legkich,a nexvatka CO2.S etogo nado naczinac.Po CO2 ,a nie po O2.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»