Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР. Биомедицинские приложения

Ю.А.Пирогов Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Физический факультет Учебно-научный межфакультетский и

междисциплинарный центр магнитной томографии и спектроскопии (ЦМТС МГУ)

 
Лекции
 
1. Введение. Физические методы и приборы в биомедицине. Радиационная медицина.

Лазерные методики. Микроволновая терапия. Акустические методы в медицине. Воздействие физических полей на живые организмы. Медицинская биофизика. Молекулярная визуализация.
 
2. Медицинская диагностика. Рентген, УЗИ, инфракрасное и микроволновое тепловидение. Оптоакустическая диагностика. Томографические методы в сравнении: компьютерная (рентгеновская) томография, магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), микроволновая, лазерная и ультразвуковая томография, квазистатическая электромагнитная томография. Тераностика. ЯМР спектроскопия в медицинской диагностике: метаболомика, геномные и протеомные исследования. Общее знакомство с парком исследовательской магнитно-резонансной аппаратуры ФФМ МГУ.
 
3. Магнитно-резонансная томография (МРТ) и ЯМР спектроскопия. Физические основы магнитного резонанса. Открытие Е.К.Завойским электронного парамагнитного резонанса. Магнитные моменты ядер и их прецессия в магнитном поле. Гиромагнитное отношение и ларморова частота. Продольная (спин-решеточная) и поперечная (спин-спиновая) релаксация. Принципы формирования ЯМР сигнала как отклика на радиочастотное (РЧ) воздействие, квантовый и векторный подходы.
 
4. Анализ движения вектора намагниченности под действием РЧ поля и релаксационных процессов. Уравнения Блоха. Резонансное радиочастотное воздействие на поворот вектора намагниченности. Канонические 90о и 180о радиоимпульсы. Импульсные последовательности и их структура. Считывание ЯМР сигналов продольной и поперечной релаксации. Характерные времена релаксации для тканей с различной протонной плотностью. Мультиядерные процессы – отклик замагниченных тяжелых ядер на радиочастотное воздействие.
 
5. Основные узлы и блоки томографа. Сверхпроводящий магнит. Программные средства томографа – компьютер, операционная система, управляющая программа. Принципы построения МРТ изображений, роль градиентных магнитных полей. МРТ как активное радиовидение. Пространственное разрешение. Спиновое и градиентное эхо. Способы, повышающие контрастность МРТ изображений. Диагностическая информация, получаемая при МРТ исследовании.
 

тканей в живом организме. Природа химического сдвига спектральных линий. Понятие

о спин-спиновом взаимодействии и мультиплетная структура спектра ЯМР. Локальная спектроскопия ЯМР в магнитно-резонансных сканерах – in vivo получение ЯМР сигнала от малого объема образца ткани (воксела) со сложной молекулярной структурой. Метаболомика – диагностическая ЯМР спектроскопия биофлюидов человека и животных. Обнаружение патологий по спектральным характеристикам метаболитов.

7. Биохимия белковых молекул. Двумерный и трехмерный ЯМР спектральный анализ. Суперкомпьютеры в расшифровке структуры биомолекул. Роль лигандов в формировании амилоидных поражений мозга при болезнях Альцгеймера, Паркинсона, рассеянном склерозе. Патологии, связанные с разрушением миелиновых оболочек аксонов головного и спинного мозга. МРТ измерения степени миелинизации белого и серого вещества мозга. Понятие о компьютерном синтезе лекарств и спектральный ЯМР анализ готовых форм.
 
8. Подведение итогов лекционного раздела с кратким обзором состояния и текущих проблем в области биомедицинских применений ЯМР. Главные вехи развития магнитно-резонансной томографии и ЯМР спектроскопии, отмеченные Нобелевскими премиями. Вклад российских ученых в науку магнитного резонанса, ЯМР спектроскопии и МРТ. Современное состояние ЯМР-устройств и перспективы их усовершенствования. Высокопольные ЯМР спектрометры. Магнитно-резонансная томография в сильных и слабых магнитных полях. Мультиядерные МРТ исследования. Гиперполяризация и альтернативные способы улучшения качества МРТ изображений. Рекомендации по выполнению практических занятий.
 
Практические занятия на ЯМР оборудовании ФФМ МГУ
 
9. Практические занятия на 0.5-Тл медицинском МРТ сканере Bruker Tomikon S50. Знакомство с элементами томографа – сверхпроводящим магнитом, приемо-передающим радиочастотным трактом, катушками индуктивности, управляющим компьютером, системой регенерации жидкого гелия, инфраструктурными элементами обеспечения работоспособности прибора, системой архивации и обработки результатов МРТ исследований.
 
10. Анализ МРТ изображений отдельных органов человека, полученных на 0.5-Тл томографе в режимах измерения сигналов продольной и поперечной релаксации. Демонстрация методик подавления фоновых сигналов нормальных тканей с селекцией слабых патологических образований. Измерение времен релаксации на фантомах, содержащих вещества с ткань-эквивалентными параметрами.
 
11. Биоспектротомография малых животных на 7-Тл сканере Bruker BioSpec 70/30 USR. Молекулярная визуализация. Целевая доставка препаратов в область патологии. Биомаркеры и парамагнитные визуализаторы. Способы доставки лекарственных нанобиоконтейнеров и экстракция препарата на мишени под действием физических полей.

vivo. Пространственное разрешение и быстродействие прибора. Примеры наблюдения меченых парамагнитными

ионами молекул и путей доставки препарата в область патологии. Нанокапсулированные препараты и МРТ наблюдение их эффектов при онкологии и ишемии головного мозга. Визуализация живого сердца мышей и крыс в стробоскопическом режиме.
 
13. Знакомство с ЯМР спектрометром Bruker Avance 600 MHz, предназначенным для изучения жидких биохимических соединений. Измерение и анализ спектров органических жидкостей. Особенности устройства и функций ЯМР спектрометров: сверхпроводящий магнит, азотная «рубашка», однородность поля, вариации температуры образцов, криогенные датчики, измерения на протонах и тяжелых ядрах. Примеры получения и анализ конкретных спектров.
 
14. Участие студентов в экспериментах на твердотельном ЯМР спектрометре Bruker Avance 400 MHz. Отличия жидкостных и твердотельных спектрометров. Формирование спектров ЯМР твердых тел. Разрежение спектра вращением образцов под магическим углом. Спектральный анализ структуры биомолекул в наноконтейнерах. Карбоновые и кремниевые нанотрубки в качестве биоконтейнеров.
 
Рекомендованная литература
 
1. Ринкк П.А. Магнитный резонанс в медицине // под ред. В.Е.Синицына. М., ГЭОТАР-МЕД, 2003, 247 с. URL: https://www.twirpx.com/file/525216/ 
2. Анисимов Н.В., Батова С.С., Пирогов Ю.А. Магнитно-резонансная томография: управление контрастом и междисциплинарные приложения / Под ред. Ю.А.Пирогова. – М.: МАКС Пресс, 2013, 243 с. URL: https://istina.msu.ru/publications/book/4981506/ 
3. Аганов А.В. Введение в магнитно-резонансную томографию // Учебное пособие. – Казань: Изд-во Казанского госуниверситета, 2014, 67 с.
http://kpfu.ru/portal/docs/F1671217290/A.V..Aganov.VVEDENIE.V.MEDICINSKUJu.YaDERNUJu.MAGNITNO._.REZONANSNUJu.TOMOGRAFIJu._Kaazan.2013_.pdf

диагностики и изучения живых объектов и систем.
Томографические методы.
МРТ – новые

методики и кросс-дисциплинарные проекты
Радиоспектроскопия.
Перспективы

физических полей на живые организмы
Психофизиология
Медицинская биофизика
Медицинская диагностика
Тераностика
Молекулярная визуализация
Медицинская физхимия

пучками, распад новообразований)
Потоки нейтронов
Г-скальпель и Кибер-Нож
Брахитерапия
Ассоциация медицинских физиков и журнал

«Медицинская физика»

излучений

на основе рентгеновского излучения. Источников излучения у Гамма-Ножа несколько, тогда как система Кибер-Нож имеет

один сверхточный линейный ускоритель и использует его для X-ray облучения онкологических поражений и опухолей.

тканей, оптоволоконный скальпель нейрохирурга)
Облучение
Эндоскопия
Лазерная экстракция фармпрепаратов из нанокапсул
Лазерная гипертермия
Технология искусственных

костных тканей
Восстановление межпозвоночных тканей
Офтальмология (лазерная коррекция зрения, приваривание отслоившейся сетчатки)

ширины разреза, одновременной коагуляции сосудов и существенного снижения кровотечения. Кроме

того, в отличие от обычного скальпеля, излучение лазера абсолютно стерильно. Вследствие всего перечисленного период заживления раны сокращается в два-три раза

ланцет с коагуляцией)
Терапевтическое действие микроволн миллиметрового диапазона

на частоте 2.4 ГГц

ГГц

Перспективные разработки миллиметрового диапазона

магнитная «нанотерапия»)
Электрические поля + в комбинации с магнитным полем
Акустические (вибрационные)

эффекты, метод Илизарова + акустика
Полевая акупунктура (СВЧ, УЗИ, лазер)

коры головного мозга
Магнитоэнцефалография биотоков
Обратные и прямые задачи диагностики
функций головного мозга

«прошивка» (в будущем) программы формирования живых организмов, связь микро- и

макропроявлений, ДНК и геном
Генная терапия

(ИК и СВЧ)
Кардиография (электро- и магнито-кардиография)
Полиграф («детектор лжи»), компьютерный face-control

черные цвета, а теплые – желтые и красные

интра-термометрия (МРТ)
Лекарственная терапия + метаболомика, молекулярная визуализация, фармакокинетика

Альцгеймера, рассеянный склероз, коровье бешенство и др.)
Наноструктурные лекарства