Магнитно-резонансная спектроскопия Современное состояние и перспективы

671Б, МБФ РНИМУ

году
Нобелевская премия в 1944 году (физика)
Феликс Блох
Эдвард Миллс Пёрселл
ЯМР в

жидкостях и твёрдых телах в 1946 году
Нобелевская премия в 1952 году (физика)

1

открыл явление химического сдвига и получил спектр от протонов водорода

в молекуле этанола

Питер Мэнсфилд и Поль Лотербур, первооткрыватели метода ядерной магнитной томографии, получившей несколько позже название магнитно-резонансной. Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 2003 году

2

утверждал, что в 1960 году, в возрасте 24 лет, после

окончания университета отправил 4 заявки на изобретения, содержащие описания приборов, аналогичных МР-томографам. Все заявки были отвергнуты патентным ведомством.

Реймонд Дамадьян – американский учёный, создавший первый МР-сканер и получивший патент на него. Использовал отличную от Лотербура технику получения изображений, организовал фирму FONAR. Обижен на Нобелевский комитет за то, что не получил Нобелевскую премию в 2003 году вместе с Лотербуром и Мэнсфилдом.

3

в том числе и люди, состоят, в основном, из воды.
А

это протон – ядро атома водорода, который входит в состав молекулы воды. Протон является основным нуклоном (частицей, входящей в состав ядра элемента). Принято считать, что протон вращается вокруг своей оси, хотя на самом деле это не так .

Как и всякая другая движущаяся заряженная частица, протон создаёт магнитное поле. Говорят, что протон обладает магнитным моментом, поэтому его можно уподобить постоянному магниту, например стрелке компаса. Магнитный момент протона принято обозначать стрелкой.

4

в разные стороны.
При наложении внешнего магнитного поля напряжённостью B0

магнитные моменты протонов ориентируется вдоль него в параллельных и антипараллельных направлениях.

5

магнитный момент протона, который вращается (прецессирует) вокруг направления внешнего магнитного

поля.

Эта точка фиксирована.

ω=γхВ0

Уравнение Лармора, где
ω – частота Лармора (МГц)
γ – гиромагнитное отношение (МГц/Тл)
В0 – напряжённость магнитного поля (Тл)

Коротко о физике МРТ

Это сэр Джозеф Лармор.

42.57 MГц/Тесла – гиромагнитное отношение для водорода. Самое большое из всех гиромагнитных отношений.

6

Блинк.
7

человека, помещённого в постоянное магнитное поле (например в томограф). Все

магнитные моменты протонов тела человека ориентированы вдоль направления внешнего магнитного поля (параллельно и антипараллельно) и прецессируют вокруг него.

Так как магнитный момент это вектор, то согласно законам математики, мы можем осуществлять параллельный перенос векторов. Перенесём все магнитные моменты всего тела человека в одну точку и просуммируем их.

Параллельно полю ориентируется больше моментов, чем антипараллельно (при 1,5 Тл параллельно полю выстраивается на 9 моментов больше в каждом миллионе, то есть 1 000 009 параллельно и 1 000 000 антипараллельно).

Просуммируем вектора. Большая часть их сократиться, однако 9 моментов из 2-х миллионов просуммируются и дадут некий ненулевой вектор (обозначен зелёным).
Этот вектор будет соответствовать суммарной намагниченности объекта.

8

импульс с частотой, равной частоте Лармора, чем сообщает энергию тем

протонам, которые параллельны полю (они в невозбуждённом состоянии).

Получившие энергию протоны переходят в возбуждённое состояние, их магнитный момент переворачивается антипараллельно полю.

Через некоторое время протоны из возбужденного состояния возвращаются в стабильное, испуская энергию в виде электромагнитного излучения, которое рассеивается в решётке.

Решётка

9

Радио
МРТ и МРС
10

то его электроны будут создавать локальное магнитное поле, направленное против

направления внешнего магнитного поля.

Вэфф=В0-Ве
Ве зависит от В0, поэтому
Вэфф=В0*(1-σ)

Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Генрих Фридрих Эмиль Ленц,
Знаменитый русский физик

11

поля для разных протонов будет зависеть от того, рядом с

каким атомом они находятся. Соответственно будет отличаться и резонансная частота (частота Лармора).
Именно поэтому Дж.Т. Арнольд получил в 1951 году именно такой спектр от этилового спирта:

Пики на представленном графике соответствуют концентрации ядер атомов водорода (протонов) в разных положениях.
Аналогичные графики можно получить для любого вещества, которое имеет в своём составе ядра, обладающие магнитным моментом.

12

Гц
Резонансная частота жировой ткани 42 575 955 Гц
Химический сдвиг

145 Гц

В0= 1 Тл

В поле 2,35 Тл химический сдвиг составит 350 Гц, а в поле 4,7 Тл – 700 Гц.

13

в виде резонансной частоты, а в виде величины ppm –

parts per million (частей на миллион), которая рассчитывается как отношение разности резонансной частоты соединения с резонансной частотой референсного вещества (например, триметилсилан – вещество, химический сдвиг которого принят равным нулю) и рабочей частотой спектрометра (томографа).

3 ppm

2 ppm

1 ppm

0 ppm

Рабочая частота магнитно резонансного томографа составляет от 64 до 300 мегагерц (МГц), а разность резонансных частот – порядка нескольких сотен Герц.

14

элемент изображения.

Воксель МРС имеет размеры 2х2х2 см3.

Воксель следует разместить

в пределах очага поражения, в случае опухоли – в пределах живой её ткани.

На рисунке указаны места расположения вокселя для серого и белого вещества головного мозга.

15

STEAM (STimulated Echo-Aquision Mode) – лучшее разрешение для некоторых пиков.

Помимо этого, PRESS чувствителен к ошибкам шиммирования магнитного поля, подавлению воды и другим техническим погрешностям.

17

ммоль/л
19

маркером клеточной гибели и некроза ткани.

2,0 ppm N-ацетиласпартат (NAA)

– маркер целостности нервных клеток

2.1-2.5 ppm (Glx) – глутамин и глутамат – смесь пиков, изменяющаяся в зависимости от функции печени

3.0 ppm (Cr) – креатин (НЕ креатинин!) – азотсодержащая карбоновая кислота, Участник энергетических процессов в мышечных и нервных клетках. Концентрация креатина практически всегда постоянна, его пик можно использовать как референсный.

3.2 ppm (Cho) – Холин. Концентрация фосфохолина возрастает, в случае распада миелина. Холин принято считать маркёром повреждения мембран клеток, однако так же его концентрация повышается в злокачественных опухолях.

3.6 ppm (mI) – миоинозитол – маркер повреждения миелиновой оболочки, его концентрация возрастает при болезни Альцгеймера и злокачественных новообразованиях.

Характеристика основных метаболитов

20

пики миоинозитола, холина, креатина и NAA формируют угол 45 градусов,

называемый углом Хантера

21

Длинное время эхо (135 мс, левое изображение) позволяет увидеть только

основные пики. Короткое время эхо (30 мс, правое изображение) позволяет увидеть дополнительные пики, однако интерпретация такого изображения может быть затруднена.

Влияние параметра «время эхо» на разрешающую способность

22

мс двойной пик лактата (если он есть) может быть перевёрнут

(инвертирован) относительно базовой линии)!

TE = 135ms

TE = 270 ms

23

(1,3).
Снижается пик NAA (2,0)
Пик холина нарастает в течение нескольких недель,

что обусловлено некрозом клеток.

25

и рост пика холина и миоинозитола. Наиболее ранним признаком является

рост пика миоинозитола, в то же время концентрация холина может повышаться с возрастом.
При других видах деменции повышение концентрации миоинозитола не наблюдается, что может использоваться в дифференциальной диагностике.
Рекомендуется использовать CSI, а не одновоксельную спектроскопию.

Соотношение пика NAA и креатина по абсолютной высоте менее, чем 1,11, расценивается как возможная болезнь Альцгеймера

26

пика NAA

32-летний человек, с синдромом Дауна и развившейся вслед за

этим деменцией. Рост пика миоинозитола и параллельное снижение NAA



Семейный и спорадический варианты болезни Альцгеймера

27

пик лактата

МРС редко используется в диагностике РС, поскольку «свежие очаги»

РС могут напоминать очаги демиелинизации при острых энцефаломиелитах (ОРЭМ). В то же время, старые очаги РС сохраняют неярко выраженные изменения, характерные для демиелинизации. Это позволяет проводить контроль лечения РС методом МРС.

28

снижением пика NAA, ростом пика холина, появлением лактата.
Для оценки опухоли

могут использоваться соотношения пиков с референсным пиком – пиком креатина, который считают равным 1.
Соотношение пиков холин/креатинин считается нормальны при значениях 0,87-0,97, более 1,02 – это скорее всего опухоль.

29

NAA, зато появляется пик аланина.
Распределение аланина в менингиоме показано на

верхнем правом изображении.

31

веществе головного мозга. Мониторинг терапии
(терапия не работает)
Ребёнок с дефектом

цикла мочевины. В области 2,3 и 3,8 ppm наблюдается значительные пики, соответствующие глютамину и глютаминовой кислоте

32

лактата. NAA снижен в связи с замещением нервных клеток опухолевыми.
Высокодифференцированная

опухоль: Увеличение в области «плохой». Поднят пик холина, связанный с активным строительством клеточных стенок, но количество лактата и липидов не увеличено (или незначительно увеличено) в связи с некрозом. Небольшое снижение пика NAA.
Менингиома: Появление пика аланина.
Инсульт или радиационный некроз: Преимущественно повышение в области «злой». Пик NAA и холина несколько уменьшаются.
Рассеянный склероз или травма: снижение в области «хороший». Уровни холина и липидов поднимаются незначительно. На ранних стадиях уровень холина и липидов может быть высоким и имитировать опухоль, однако последующее обследование выявит их снижение.
Синдром Дауна: Повышение пика NAA, в области «хороший»
Болезнь Альцгеймера: повышение в области «плохой», снижение в области «хороший»

34

Юинга (справа). Опухоль демонстрирует высокое содержание холина.
Рак простаты (справа) ведёт

себя аналогично – имеет высокую концентрацию холина, по сравнению со здоровой тканью (слева).

35

и пересадки кожно-мышечного лоскута. На МРС появляются пики креатина и

холина, соответствующие нормальной мышечной ткани. В этом случае нельзя говорить о рецидиве опухоли

45-летний мужчина с гистологически-подтверждённой липомой в предплечье. Пик, соответствующий липидам очень высок.

36

Гексозо-6 фосфаты) - PME
Неорганический фосфат - Pi
Фосфодиэфиры (в т.ч. Фосфатидилхолин,

фосфатидилэтаноламин) - PDE
Креатинфосфат - PCr
АТФ (3 пика) ATP α, β и γ

Содержание атомов фосфора в организме в тысячи раз меньше, чем ядер водорода, в связи с чем обычно используют томографы с напряжённостью магнитного поля 4-7 Тл. Получаемый спектр представлен слева.

37

фософрной спектроскопии. Для неё существует специальная последовательность ISIS (Image-Selective In

vivo Spectroscopy). Эта последовательность приводит к длительному времени исследования.

Для фосфорной спектроскопии так же используют DRESS (Depth-RESolved Spectroscopy), однако в ней сигналы от маленьких опухолей могут маскироваться здоровой тканью).

38

выживаемости пациентов с ДКМП, чем фракция выброса или класс по

NYHA.
2,3 DPG - 2,3-дифосфоглицерат (из крови)

41

– справа). Мыши без гуанодинацетат-N-метилтрансферазы испытывают недостаток креатина, его место

на спектре занимает P-гуанодиноацетат, его предшественник.

42

метаболизме.

На изображении рисунок А – МРС печени здорового добровольца, В

– пациента с компенсированным циррозом, С – с декомпенсированным циррозом.

43

в природе составляет около 1%. Низкие концентрации углерода-13 позволяют вводить

в организм меченные им вещества, отслеживая их превращения в организме.

На представленном слева изображении исследуется продукция лактата и глутамата в головном мозге здорового добровольца (левая колонка) и больного с MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия, лактатацидоз, инсультоподобные эпизоды.

Данное исследование показывает, что в головном мозге больного происходит неправильный метаболизм глюкозы, со снижением синтеза глутамата и повышением продукции лактата.

44

достигается следующим образом:
Пары рубидия возбуждаются лазерной «накачкой» от лазерного

диода. Через эти пары пропускаются инертные газы ксенон или гелий, которые возбуждаются (гиперполяризируются) в течении нескольких часов. Степень гиперполяризации составляет всего 5-25%.

Ксенон замораживается жидким азотом до температуры -77 градусов и в таком виде может транспортироваться не теряя своей гиперполяризации. Гелий нетранспортабелен и содержится в непроницаемом объёме, поддерживая поляризацию при помощи специальных магнитов. Зато гелий обладает большей степенью гиперполяризации.

Ксенон может быть использован для определения оксигенации крови in vivo, а гелий – для вентиляционного исследования лёгких. В будущем возможно определение поражений белого вещества с использованием ксенона.
Динамические исследования могут быть проведены только с помощью быстрых импульсных последовательностей, так как гиперполяризованные газы быстро теряют свою гиперполяризацию в организме пациента.

45

задержкой дыхания, рисунок b - при спокойном дыхании.
Такое исследование не

зависит от напряжённости магнитного поля томографа – оно может быть выполнено на 0,1 Тл томографе.

46

молекулярной визуализации.

МРС позволяет не только неинвазивно исследовать распределение биологических веществ

в организме, но и изучать их метаболизм, путём введения меченных веществ.

МРС является безопасным для пациента методом исследования (за исключением пациентов с металлическими телами в организме, кардиостимуляторами и пациентов с клаустрофобией)

В то же время метод МРС характеризуется высокой стоимостью проведения исследования.

В некоторых случаях метод МРС можно заменить менее точным, но более дешёвым методом исследования.

Результаты МРС-исследования не всегда можно правильно интерпретировать. Для правильной оценки полученных результатов требуется знание основ МРС, биохимии, специальных клинических областей знаний (кардиология, неврология и т.д.)

47

докладчику:
vk.com/biophisic
biophisic1@gmail.com