Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ЯМР спектроскопия и ЯМР томография, как методы исследования биологических объектов 13
1.1. Ядерный магнетизм и ядерная магнитная восприимчивость 13
1.2. Уравнения Блоха в магнитном резонансе 20
1.3. Оценка величины ЯМР-сигнал а 29
1.4. Суммирование ЯМР-сигналов 33
1.5. Влияние скорости восстановления намагниченности на время накопления томограммы 34
1.6. Режим накопления томограмм с узкополосным частотным подавлением 37
1.7. Типичная структура ЯМР-томографа 39
1.8. Томографы медицинского назначения 48
Постановка задач исследования 49
Глава 2. Методы пространственно локализованной ЯМР спектроскопии в исследовании метаболитов головного мозга 51
2.1. Пространственная локализация исследуемого объекта 51
2.2. Импульсные последовательности, реализующие пространственную локализацию 55
2.3. Подавление ЯМР сигнала от протонов воды 62
2.4. Метаболиты тканей мозга, доступные протонной МРС 63
Выводы 75
Глава 3. Аппаратно-методические аспекты улучшения разрешения ЯМР спектроскопии с пространственной локализацией исследуемой области 76
3.1. Томографическая аппаратура и реализация режима спектральных исследований 76
3.2. Визуализация неоднородности магнитного поля в области пространственной локализации и подавление сигналов воды в спектрах ЯМР 83
3.3. ЯМР спектры тканей белого вещества головного мозга 89
3.4. Исключение систематических погрешностей и основные соотношения для программы обработки числовых массивов ЯМР спектроскопии с пространственной локализацией 94
3.5. Алгоритмизация процесса обработки ЯМР-сигналов интерферограмм 97
В ыводы 104
Глава 4. Методика расчета концентрации метаболитов в режиме спектральных исследований на ЯМР томографе 107
4.1. Результаты определения концентрации метаболитов 107
Выводы 114
Основные результаты работы 115
Список литературы.,
- Уравнения Блоха в магнитном резонансе
- Импульсные последовательности, реализующие пространственную локализацию
- Визуализация неоднородности магнитного поля в области пространственной локализации и подавление сигналов воды в спектрах ЯМР
- Алгоритмизация процесса обработки ЯМР-сигналов интерферограмм
Введение к работе
ЯМР-спектроскопия высокого разрешения позволяет регистрировать сигналы от низкомолекулярных соединений in vivo, если временная химическая стабильность молекул превышает 0,003 с. По этой причине в биологических тканях, содержащих тысячи сложных соединений, молекулярные группы которых участвуют в процессах химического синтеза и распада, лишь некоторые достаточно стабильные низкомолекулярные соединения регистрируются ЯМР-спектрометром.
Современные ЯМР-томографы с высоким полем, как правило, комплектуют приставками для ЯМР-спектроскопии. Это позволяет выполнять сравнительный анализ ряда доступных для регистрации веществ, образующихся в результате процессов метаболизма (метаболитов). Оценка содержания метаболитов мозга по спектрам живого объекта выполняется двумя различными способами. Первый использует только экспериментальные отношения интенсивностей ЯМР-сигналов. Отношения получают непосредственно из измеренного спектра. Второй способ основывается на расчетах абсолютных концентраций метаболитов, в этом случае требуется использование опорного сигнала. В первом случае толковать спектральные изменения надо с осторожностью, поскольку использование отношений обменных веществ в некоторой степени понижает результативность анализа. Пиковое отношение, показывающее параллельные сдвиги концентраций, при развитии патологии может оставаться в пределах нормального диапазона отношений, хотя содержание каждого вещества фактически увеличивается или уменьшается. По этой причине, пиковое отношение должно быть объединено с определением абсолютной концентрации. Однако, для определения абсолютных концентраций с указанием погрешности результатов требуется усложнение экспериментальной методики и разработка дополнительного программного обеспечения.
Для правильной оценки места МРС в системе методов медико-биологических исследований необходимо отметить успехи и других аналитических методов. Появление атомно-физических методов лабораторных исследований и развитие их технического оснащения привело к появлению нового направления медицинских исследований - клинической биохимии. Ее содержанием являются лучевые методы исследования процессов накопления, перемещения, превращения веществ и энергии, протекающих в организме человека.
Особое место среди методов клинической биохимии занимают спектральные методы. Важнейшими из них являются:
электронная спектроскопия;
инфракрасная спектроскопия;
рентгеноспектральный анализ;
спектроскопия ЯМР (магнитно-резонансная спектроскопия);
спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР);
масс-спектрометрия.
Электронная спектроскопия, то есть спектроскопия в видимой и ультрафиолетовой области, применяется для идентификации и установления структуры соединений, анализа их смесей и кинетических исследований. Основными объектами исследований электронной спектроскопии являются соединения с сопряженными хромофорами (функциональными группами, в которых атом с неподеленной парой электронов связан с соседними атомами кратной связью), например каротиноиды, ароматические соединения бензольного и гетероциклического рядов.
Спектры поглощения в средней инфракрасной области (ИК-спектро-скопия) электромагнитного спектра несут информацию:
- о валентных колебаниях, при которых расстояния между колеб
лющимися атомами увеличивается или уменьшается, но сами атомы ос
таются на оси валентной связи;
- о деформационных колебаниях атомов в молекуле (когда атомы отклоняются от оси валентной связи с изменением валентных углов).
Инфракрасная спектроскопия используется для идентификации и установления строения соединений, изучения внутри- и межмолекулярных взаимодействий, кинетического контроля реакций.
Исследование химического состава биологических образцов по их рентгеновским спектрам нашло свое применение в исследованиях содержания ряда тяжелых атомов, в частности, для исследования содержания таких элементов как: железо, медь, цинк, бром, рубидий - в биоптатах (например, в биоптатах слизистой оболочки желудка, взятых при гастроскопии).
Спектроскопия ЭПР применяется для исследования парамагнитных молекул, то есть молекул с неспаренными электронами (свободные радикалы, ионрадикалы и т. д.). Метод ЭПР основан на тех же принципах, что и метод ЯМР, однако, в случае ЭПР регистрируется резонансное поглощение электромагнитных волн электронами (а не ядрами), имеющими нескомпен-сированные магнитные моменты. Спектр ЭПР дает в первую очередь информацию о наличии и количестве парамагнитных частиц в исследуемой пробе в сравнении со стандартом. Метод ЭПР незаменим при изучении радикальных реакций, например реакции окисления под действием ферментов. ЭПР также применяется для исследования структуры и конформаций ферментов, фосфолипидов и т. д.
Масс-спектрометрия используется для выяснения структуры органических соединений, а также определения их молекулярной массы. Метод основан на ионизации молекул под действием потока электронов, интенсивного коротковолнового излучения, путем столкновения с возбужденными атомами и ионами или в сильном электрическом поле.
После появления в пятидесятых годах первых спектрометров ЯМР, магнитно-резонансная спектроскопия очень скоро превратилась в один из самых информативных методов химического анализа. Достижения МРС
связаны с внедрением импульсных методов и широким использованием вычислительной техники.
В настоящее время продолжает интенсивно развиваться приборостроение медицинского назначения. Значительно совершенствуются методы медицинской диагностики на основе ядерного магнитного резонанса, что позволяет получать высококонтрастные изображения in vivo и выявлять новые данные об особенностях строения живых тканей, находящихся в норме и при патологических изменениях.
В коммерческих томографах конкурирующие фирмы предлагают широкий диагностический сервис более чем из ста импульсных последовательностей для выявления тех или иных изменений в живых тканях. Однако, при анализе изображений оператору томографа необходимо учитывать артефакты, которые обусловлены особенностями явления ЯМР.
Развитие техники ЯМР-интроскопии (магнитно-резонансной томографии (МРТ)) вывело МРС на качественно новый уровень. До сих пор мы говорили о лабораторных методах спектроскопии биосубстратов in vitro. Применение же принципов локализации возбуждения [63], использующихся в МРТ, позволило получить спектрограммы глубоко расположенных локализованных областей внутри живых объектов.
Таким образом, в настоящее время необходимо различать традиционную МРС in vitro и развивающуюся МРС in vivo.
МРС in vivo - активный неинвазивный физиологический метод исследования, снабжающий нас информацией, которую ранее получали при аналитических (лабораторных) исследованиях. В дальнейшем, говоря о МРС, будем иметь в виду МРС in vivo.
МРС биологических объектов были начаты около 15 лет назад [7]. При помощи лабораторного ЯМР спектрометра с диаметром трубы теплого отверстия 30 мм и индукцией поля 8,4 Тл. была осуществлена фосфорная ( Р) МРС эритроцитов, удаленной мышечной ткани и суспензии дрожже-
вых клеток. С тех пор было проведено множество МРС экспериментов на перфузированных органах, клеточных суспензиях и живых животных. При этом использовался магнитный резонанс ядер водорода (*Н), фтора (19F), углерода (,3С), натрия (23Na), калия (39К) и азота (15N и 14N).
Наибольшее распространение получила спектроскопия ядер Р, что обусловлено той ролью, которую играет процесс окислительного фосфори-лирования в биоэнергетике клетки. Однако, протонная спектроскопия имеет определенные преимущества, связанные с тем, что из всех ядер ядро водорода имеет самый высокий магнитный момент и, следовательно, протонная МРС является наиболее чувствительной.
Актуальность темы диссертации. Магнитно-резонансная томография (МРТ), как метод визуализации внутренней структуры объекта, получила широкое признание в клинической практике. Основной причиной для развития магнитно-резонансной спектроскопии за последнее десятилетие оказались успехи, достигнутые при разработке ее приборной основы. Благодаря созданию сверхпроводящих магнитов, имеющих высокооднородное поле в объеме с линейным размером до 50 см, МРТ оказалась в настоящее время одним из эффективных методов исследования патологических изменений мягких тканей живого организма. Совершенствование техники МРТ открыло новую область для развития ЯМР спектроскопии высокого разрешения. Применение в методиках магнитно-резонансной спектроскопии (МРС) принципов локализации возбуждения, позволило получать спектрограммы глубоко расположенных локализованных областей внутри живых объектов. Однако, эта технология, несмотря на свою более чем пятнадцатилетнюю историю, пока не нашла широкого клинического распространения. Сегодня остаются нерешенными проблемы обеспечения технической доступности метода для локализации пространственных объектов; вопросы влияния пространственного распределения локальных магнитных полей исследуемого объекта на разрешение спектров; кроме того, важными задачами являются выявление
значимых различий между спектрами головного мозга здоровых людей разного возраста, а также разработка алгоритмов использования спектроскопической информации для постановки диагноза. Поэтому, почти каждое спектроскопическое ЯМР исследование, проведенное на ЯМР томографе, до сих пор является в определенной степени уникальным.
Цель работы. Целью данной работы является повышение эффективности ЯМР спектроскопии в исследовании метаболитов головного мозга путем совершенствования информационного, методического и программно-алгоритмического обеспечения системы MP-томографии. Для достижения поставленной цели сформулированы и решаются следующие задачи:
исследовать пространственную разрешающую способность ЯМР спектроскопии в различных областях головного мозга;
разработать метод обработки МРТ сигналов с пространственной локализацией объектов наблюдения;
разработать способ определения концентрации обменных веществ в тканях головного мозга;
экспериментально проверить предложенные методы и модели для ЯМР спектроскопии метаболитов головного мозга.
Предмет исследования. Объектом исследования является система для получения спектральной информации от пространственно локализованных участков головного мозга человека, на основе ЯМР томографов Magnetom Vision, аппаратурное и методическое обеспечение которых позволяет работать в режиме спектральных исследований.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории ЯМР-спектрального анализа, математического анализа, аппарата теории вероятностей, теории измерений и метрологии.
Научную новизну работы составляют:
1. Математическая модель представления ЯМР сигналов в спектре белого вещества головного мозга in vivo на основе контуров Лоренца и
Гаусса, позволяющая описать экспериментальные данные с наименьшими квадратичными отклонениями.
Метод обработки сигналов ЯМР-спектроскопии, основанный на частотной фильтрации, и позволяющий существенно подавлять влияние сигналов воды и жира на результаты анализа спектра метаболитов, что позволило повысить точность определения концентрации метаболитов.
Методика определения наилучшего аппаратурного разрешения сигналов ЯМР и получения исходной информации, позволяющая определять концентрацию метаболитов головного мозга с погрешностью не более 10 %.
4. Способ определения концентрации ряда обменных веществ в
тканях головного мозга на основе использования скользящего Фурье пре
образования с подавлением сигналов воды.
Достоверность. Достоверность результатов подтверждена экспериментальными исследованиями и результатами практической апробации. Практическая значимость заключается в следующем:
Разработана методика получения исходной числовой информации для спектров с высоким разрешением, позволившая установить усредненную для группы здоровых пациентов величину концентрации N-ацетиласпартата C(NAA) = (10,70 ± 0,93) ммоль/литр.
Разработаны рекомендации по понижению методических погрешностей исследования концентрации метаболитов.
Получены результаты исследования влияния положения объекта в магните томографа на пространственное разрешение сигналов исследуемой области и методика коррекции положения объекта, позволяющая получить наилучшее пространственное разрешение.
Разработана методика исследования и автоматизированный комплекс для оценки концентрации метаболитов разновозрастных групп добровольцев.
5. Разработан пакет программного обеспечения для обработки исход
ных числовых массивов, накопленных на ЯМР-томографе;
Получены результаты использования разработанной методики и программного обеспечения, содержащие данные о концентрации метаболита N-ацетиласпартата в тканях белого вещества головного мозга, для группы добровольцев из 16 человек;
Получены экспериментальные данные локальной протонной МРС высокого разрешения головного мозга человека с пространственной локализацией исследуемой области, позволяющие надежно определять концентрацию ряда метаболитов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и получили одобрение на конференциях и научных семинарах, проводимых в 2000-2003 гг. в Санкт-Петербургском Государственном университете; Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики (Техническом университете); Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете; Центральном научно-исследовательском рентгено-радиологическом институте (ІДНИРРИ); ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева. Материалы работы доложены и обсуждались на международном форуме: «Невский рентгенологический форум», Санкт-Петербург, 9 - 12 апреля 2003. Экспериментальные исследования проводились в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭ-ТИ», Центральном научно-исследовательском рентгено-радиологическом институте (ЦНИРРИ) на томографе Magnetom Vision и базировались на методах ЯМР спектроскопии с пространственной локализацией.
Публикации. По теме диссертации опубликованы три статьи и одно учебное пособие.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 93 наименования,
и 4 приложений. Основная часть работы изложена на 100 страницах машинописного текста. Работа содержит 30 рисунков и 4 таблицы.
Уравнения Блоха в магнитном резонансе
В ЯМР экспериментах, как и при других спектральных исследованиях, информацию о веществе получают с помощью воздействия на переходы микрочастиц из одного энергетического состояния в другое состояние [1]. По закону сохранения энергии изменение энергетического состояния может происходить за счет либо поглощения, либо излучения электромагнитного ПОЛЯ.
В данном случае, при переходе с изменением ориентации спина по полю на ориентацию против поля будет поглощаться радиочастота. При обратных переходах радиочастота будет излучаться.
Энергия электромагнитного поля E(v) характеризуется частотой - v и интенсивностью. Однако, при дискретных взаимодействиях с объектами микромира энергию поля принято представлять парциальными носителями электромагнитного поля (т. е. квантами поля dE(v) = hv) и числом таких носителей (числом квантов).
В резонансных экспериментах мы можем стимулировать переходы спинов с одного энергетического уровня на другой, если воздействовать на ядро, помещенное в постоянное магнитное поле В0, электромагнитным полем определенной (резонансной) частоты - v0.
А именно, резонанс будет наблюдаться при равенстве энергии переходов АЕ и квантов энергии dE(v) носителей электромагнитного поля. Из требования равенства этих энергий ДЕ = dE(v) следует: h v0 = (ц/1) В0.
Из этого соотношения определяется основное уравнение ядерного магнитного резонанса: vQ = (ц/Ы) В0 Здесь в скобках мы имеем отношение фундаментальных констант магнитного момента ц и механического момента Ы. Такое отношение также относится к списку основных, фундаментальных физических констант и известно как гиромагнитное отношение Y = u/Ih. Соответственно и основное выражение (1.4) часто представляют в виде: voi-YiB0 (1.5)
Гиромагнитное отношение у; является величиной, определяющей резонансную частоту v0 для конкретного 1-го изотопа в данном магнитном поле. К примеру, для протонов в сферической ампуле с водой было установлено [1.6]: ур = 42, 576 375 (13) МГц/Тл Соответственно, резонансная частота, способная вызывать интенсивные переходы с изменением ориентации спинов, для протонов водорода воды в магнитном поле с индукцией В0 = 1 Тл, составляет величину v0 = 42 576 375 Гц.
Переменные электромагнитные поля такой частоты технически удобно создавать в специальных резонансных индуктивностях (радиочастотных катушках), исследуемые объекты помещаются внутри таких [6].
Поскольку вектор макроскопической намагниченности М составляют частицы, имеющие механический момент, то динамику этого вектора необходимо описывать с учетом гироскопического эффекта. Уравнения, описывающее движение вектора М, были предложены Блохом [1, 30].
Макроскопический вектор намагниченности элементарного объёма в общем случае может иметь произвольную ориентацию Ms. Можно показать, что уравнение движения вектора Ms в магнитном поле В для лабораторной (неподвижной) системе координат без учета затухания описывается следующей формулой: -dM,(t)/dt= Y[Ms(t)B] (1.6)
Результирующий вектор, определяющий движение, перпендикулярен как направлению магнитного поля, так и направлению вектора намагниченности спиновой системы. Данное уравнение напоминает уравнение, известное из механики, которое описывает вращательную круговую прецессию механического волчка без учета трения.
Для подтверждения уравнения (1.6) следует отметить следующее. Поскольку в ядре направление магнитного момента ядра всегда параллельно (или антипараллельно) ориентации механического момента ядра (ориентации спина), то суммарной спиновой намагниченности элемента объема будет соответствовать и суммарный макроскопический механический момент.
В результате, движение вектора намагниченности в магнитном поле действительно оказывается аналогичным прецессии механического волчка. Общим здесь является проявление гироскопического эффекта: вместо сил гравитационного взаимодействия для механического волчка в случае спиновой намагниченности действует пара сил, которая стремиться ориентировать вектор намагниченности по направлению магнитного поля.
Если рассматривать динамику вектора намагниченности в общем случае, то результирующее магнитное поле можно представить как сумму нескольких составляющих: B(t) = B0 + Bj + Bioc, где В0 - основное внешнее магнитное поле; Bi(t) - переменное электромагнитное поле; В1ос - локальное магнитное поле, вызванное взаимодействием магнитных диполей.
Импульсные последовательности, реализующие пространственную локализацию
При проведении ЯМР-спектроскопии используются различные схемы импульсной последовательности. Рассмотрим основные схемы. Импульсная последовательность DRESS.
В ряде методов локализации используются операции селективного возбуждения или селективного подавления, в которых выделение возбуждаемого участка или участка подавления осуществляется посредством приложения импульса селективного возбуждения при наличии градиентного поля аналогично тому, как это делается при селективном возбуждении в методах визуализации [41].
В ЯМР спектроскопии с высоким разрешением по глубине метод DRESS — (depth-resolved surface-coil spectroscopy) селективное возбуждение производится с помощью поверхностной катушки при наличии градиента, ориентированного вдоль оси катушки [7], Таким образом, если сечение возбуждается в плоскости, параллельной плоскости катушки, то форма сечения будет зависеть от прикладываемой к катушке мощности и от размеров катушки. В данном случае, несмотря на хорошую степень выделения исследуемой плоскости, поперечное распределение возбуждения происходит не вполне четко, поэтому будет существовать определенный разброс фазы прикладываемого импульса и чувствительности в данной области. Поскольку регистрация спектра производится почти сразу после подачи селективного импульса возбуждения, в этом методе могут возникать вихревые токи. Для уменьшения влияния вихревых токов сигнал регистрируют с задержкой, а затем умножают на некоторую функцию параметра Т2. Рассмотренный метод был обобщен для регистрации перемежающихся сечений. Новый метод называется SLIT - DRESS (SLIT — аббревиатура английских слов slice-interleaved) и обеспечивает выделение многих сечений в течение периода повторения последовательности импульсов. Как и другие методы селективного возбуждения, данный метод также страдает от артефактов, обусловленных химическим сдвигом [55], причем величина этого артефакта зависит от амплитуды приложенного градиента и различий в резонансной частоте для исследуемых метаболитов.
Импульсная последовательность FROGS.
Метод спектроскопии с быстро вращающимся градиентом поля FROGS — (fast-rotating-gradient spectroscopy) был предложен для подавления нежелательных сигналов, особенно исходящих от приповерхностных областей вблизи поверхностной катушки. В этом методе несколько селективных ВЧ импульсов прикладывают при наличии х-или у -градиентов поля с целью насыщения намагниченности в выбранном сечении. Из-за неоднородности В і для достижения необходимой степени насыщения следует периодически повторять ряд импульсов [34].
В используемой последовательности прикладывают различные, сдвинутые на к и 2к импульсы, за которыми затем накладывается подавляющий градиент. После достижения насыщения и по прошествии регулируемого времени задержки, необходимых для минимизации возникающих вихревых токов, подается стандартный неселективный импульс, после которого, как и в обычных спектроскопических последовательностях, происходит непосредственная регистрация сигналов. Метод оказался оптимальным при использовании небольших поверхностных катушек в условиях клиники, однако в дальнейшем он был модифицирован для работы при любом угле, независимо от ориентации катушки. Вначале этот метод в большинстве случаев использовался для исследования больших опухолей, окруженных слоями мышц, сигнал от которых можно было подавить.
Для повышения возможностей данного метода он был дополнительно модифицирован [42] таким образом, чтобы можно было подавлять сигналы, исходящие от некоторых сечений с различной ориентацией в течение той же самой последовательности импульсов, которая использовалась и для получения распределения ядер. Данный метод оказался менее чувствительным к действию вихревых токов, нежели метод DRESS, поскольку импульс, порождающий сигнал, является неселективным. Степень достигаемого при этом
подавления зависит от времени задержки считывающего импульса, поскольку требуется время для релаксации Ті.
В этом случае насыщаемая область будет зависеть от химического сдвига регистрируемых метаболитов. Можно показать, что при соответствующем выборе огибающей ВЧ импульса, можно с помощью одного и того же импульса произвести насыщение двух параллельных участков образца. Если применить этот метод для двух различно ориентированных сечений, то можно выделить и область в виде стержня прямоугольного сечения.
Импульсная последовательность VSE
Метод объемно-селективного возбуждения VSE — (volume-selective excitation) использует комбинацию сдвинутого на 45 селектирующего и сдвинутого на 90 неселективный импульсов, прикладываемых вдоль каждой из осей в декартовой системе координат с целью возбуждения исследуемого объема. Было показано, что метод позволяет работать в магнитных системах с небольшим зазором, однако из-за технических трудностей пока трудно осуществить его применение в клинических условиях [52].
Импульсная последовательность ISIS
Другой метод регистрации состоит в создании магнитного поля путем приложения серии селективных, сдвинутых на 180 импульсов непосредственно перед измерениями сигнала и импульса считывания. Метод получил название "метода прижизненной ЯМР-спектроскопии по селективному изображению ISIS — (image-selected in vivo spectroscopy)". Набор спектров получают до и после регистрации одного или нескольких селективных импульсов инверсии, прикладываемых в различных ортогональных направлениях перед импульсом считывания [52].
Визуализация неоднородности магнитного поля в области пространственной локализации и подавление сигналов воды в спектрах ЯМР
Как отмечалось, достаточно высокие требования к однородности магнитного поля возникают при попытках получения ЯМР-спектров высокого разрешения in vivo. Рекордное разрешение in vitro достигается при рекордно высоких полях и из-за вращения ампулы. К сожалению, использование вращения не применимо при исследовании человека, а влияние высоких магнитных полей на человека изучено мало и может давать негативные последствия.
На рис. 3.3 и рис. 3.4 представлено сопоставление спектрального разрешения, которое было достигнуто в наших экспериментах при исследовании белого вещества в теменной и лобной долях головного мозга [19]. Оба эти спектра были получены от одного и того же добровольца при исследовании мозга мужчины 20 лет. Два этих спектра весьма отличаются по ширине спектральных линий.
При сопоставлении этих спектров возникают вопросы о путях реализации разрешающей способности прибора, которые послужили одним из оснований для выполнения настоящей работы. Оба спектра получены от достаточно однородного по структуре белого вещества головного мозга. В обоих случаях размер области исследования был равен: 20 х 20 х 20 мм ,
На первом спектре, полученном от теменной доли, разрешение состав-ляет 5.10 .В этом случае сигналы от ряда метаболитов (NAA, PCr, Cho, Ins, Glx) достаточно хорошо разрешены и спектр вполне пригоден для определения концентрации регистрируемых соединений.
Такое хорошее разрешение само по себе вызывает интерес. Можно полагать, что в данном случае имеет место сравнительно однородное, достаточно близкое к сферически симметричному, распределение вещества исследуемой области и ее ближайшего окружения. Область накопления сигнала отмечена белым квадратом (далее, мы ограничились исследованием именно этой области головного мозга).
Однако попытки добиться аналогичного разрешения в сигнале от лобной доли белого вещества головного мозга не оказались успешными. Уже по ширине сигнала от протонов воды разрешение оказывается равным 2 10"7, при этом информативность спектра метаболитов настолько низкая, что обрабатывать его не имеет смысла из-за взаимного перекрывания спектральных компонент. В этой связи, естественно, представляет большой интерес определить причину худшего разрешения в лобной доле и, по возможности, искать методические и технические решении для реализации спектрального разрешения прибора.
Для того чтобы выяснить влияние вариаций диамагнитных свойств, мы проводили контрольные исследования на более доступном по времени томографе. Для контрольных исследований мы использовали томограф Magnetom Impact, который имеет сверхпроводящий магнит с полем 1 Тл. В этом поле резонансная частота липидных протонов примерно на 140 Гц ниже резонансной частоты основного для живого организма сигнала от протонов воды. Для выявления изолиний магнитного поля был использован режим накопления томограмм с использованием импульса избирательного частотного подавления [22].
Анализ режима подавления проводился с помощью поверочного устройства рис. 3.5., который был собранного из 32 ампул (диаметр ампул 30 мм), поставленных вплотную друг с другом. Устройство содержало четыре ряда по пять ампул, заполненных водой, разделенных тремя рядами по четыре ампулы, заполненных растительным маслом.
Томограммы с подавленным сигналом протонов жира получены с помощью импульсной последовательности, в которой перед подачей на исследуемый образец основного возбуждающего широкополосного 90-градусного импульса (с диапазоном воздействия порядка 10 кГц) подают импульс избирательного частотного подавления сигнала от протонов СНг-групп липидных соединений (с диапазоном воздействия порядка 30 Гц).
Как видно, подавление проявляется на томограммах наличием темных областей в виде полос. Центры темных полос показывают расположение изолиний магнитной индукции - множества точек, для которых выполняются резонансные условия узкополосного подавления сигналов.
Оказалось, что ЯМР-сигналы от протонов воды не подавлены равномерно по всему сечению ампул с Н20, как можно было ожидать при идеально однородном поле. Тень от подавления внутри общего сосуда и рядов ампул имеет сложный контур. Этот контур определяется как неоднородностью основного поля, так и внутренними вариациями диамагнитных свойств. На рис. 3.5 проявляются отличия химического сдвига протонов воды и жира: изображение стенок ампул с растительным маслом имеет двойную толщину у левого края и не проявляется справа (на этой томограмме частотное кодирование осуществлялось по направлению слева направо).
Расположение теней на томограмме (рис. 3.5) позволяет объяснить трудности достижения высокого разрешения на спектрах тканей мозга вблизи лобной пазухи (рис. 3.4.). Для этого следуем рассмотреть темные области, отмеченные на томограмме как область "А" и область "В".
При размещении ампул в общем сосуде для уплотнения рядов ампул был использован пористый полиэтилен, который содержит воздух и проявляется на томограмме в виде темной области "А" (рис. 3.5).
Регистрируемые изменения поля ДВ/В имеют величину от 10 6 до 10"7. Оценка получена по перемещению темных изолиний внутри сосуда при изменении частоты подавления. Стекло, растительное масло и вода обладают близкими магнитными свойствами, но на границе с воздухом имеет место резкое изменение магнитной восприимчивости.
Воздух обладает парамагнетизмом из-за наличия кислорода, поэтому область "А" вносит уплотнения в распределение линий внешнего магнитного поля. Вследствие этого наблюдается искажение магнитного поля в окружающей области, которое проявляется в виде кольцевой тени "В" (рис. 3.5) на изображении соседней ампулы. Аналогичное искажение поля присутствует и на тканях мозга вблизи лобной пазухи (рис. 3.3), что и является причиной плохого разрешения на спектре, полученного от этой области.
Алгоритмизация процесса обработки ЯМР-сигналов интерферограмм
Кроме того, используя вместо соотношения (3.1) соотношение (3.2), мы частично исключаем погрешности, связанные с погрешностями определения площадей асимметричных сигналов протонов NAA и воды.
На рис. 3.15. представлена также последовательность подключения подпрограмм, которые принимают участие в обработке исходных числовых массивов. Вычислительная процедура включает в себя циклы по оптимизации параметров сигналов НгО и сигналов метаболита. В этих циклах обеспечивается оптимальное разделение сигналов на действительные и мнимые части и определение амплитуды сигнала, ширины сигнала на половине высоты и положения сигнала на шкале химического сдвига. При этом по методу наименьших квадратов минимизируются отклонения от расчетных кривых как для сигнала поглощения, так и для сигнала дисперсии.
Указанная в таблице для С(х) погрешность вычисляется по следующему выражению [19]: A=(100/A1) [O:(A(tJ)-AJ)2/(N-l,5)]1/2 где Aj - амплитуда j -ого сигнала; A(tj) - амплитуда j-ого сигнала, вычисленная по соотношению A(t) = A0exp(/T2 ); суммирование квадратичных отклонений под корнем выполняли N-раз; N - число использованных ЯМР-сигналов. Основная погрешность связана с обработкой сигналов NAA: A(NAA) Д(Н20) выводы
1. Существенное влияние на спектральное разрешение сигналов метаболитов оказывает неоднородность магнитного поля, вносимая самим исследуемым объектом. Одной из причин возникновения локальной неоднородности является асимметричная форма исследуемого объекта, что
необходимо учитывать при выборе области исследования, содержащей сходную информацию, но имеющей более симметричную форму. Второй причиной является возникновение градиентов магнитной восприимчивости на границах областей с разными магнитными свойствами, учет этой неоднородности необходимо проводить с использованием методов визуализации магнитного поля.
Существенную роль в формировании хорошо разрешенных спектров играет оптимизация режима подавления сигналов ЯМР от протонов воды и протонов жира. Анализ режима подавления можно осуществлять с использованием поверочного устройства, содержащего соответствующим образом распределенные образцы воды и масла и позволяющего провести визуализацию как неоднородности магнитного поля, так и результатов подавления, что позволяет использовать эту информацию в процессе дальнейшей обработки сигналов.
Проведенный анализ формирования систематической погрешности при вычислении концентрации метаболитов белого вещества головного мозга показывает, что существует оптимальное время восстановления спиновой системы, позволяющее уменьшить влияние разброса времен поперечной релаксации у различных пациентов
Разработана процедура Фурье преобразования сигнала ЯМР со скользящим отбросом начальных чисел массива, позволяющая осуществлять более четкую фильтрацию сигналов воды в спектре метаболита. Одновременно происходит подавление сигналов некоторых метаболитов, что также уменьшает систематическую погрешность определения концентрации исследуемого метаболита.
Разработана процедура одновременной визуализации и обработки действительной и мнимой частей ЯМР спектра, позволяющая минимизировать квадратичные отклонения при определении абсолютных значений концентрации метаболита.
6. Разработан пакет программ, реализующий методику расчета концентрации метаболитов.
7. Разработаны рекомендации по оптимизации положения головы пациента в магнитной системе томографа, позволяющие реализовать разрешающую способность прибора с максимальной эффективностью.
Результаты расчетов концентрации NAA с использованием соотношения (3.1.) представлены в Таблице 4Л. Разработанный нами способ позволяет обрабатывать участки спектра с сигналом NAA как с подавлением C(NAA) , так и без подавления сигнала воды C(NAA).
Из полученных результатов следует, что искомые концентрации можно определять как с использованием режима подавления интенсивного сигнала протонов воды, так и без него, поскольку усредненные значения практически совпадают (Таблица 4.1). Это объясняется тем, что сигнал от NAA достаточно далеко отстоит от сигнала воды (частота ЯМР-сигнала от NAA примерно на 170 Гц меньше частоты ЯМР-сигнала протонов воды при 1.5 Тл). Полученные нами данные сопоставлены с результатами исследований [51], при проведении которых была использована LC-модель определения C(NAA) для группы добровольцев (нижняя строка Таблицы 4Л. - данные из [51]). Как видим, результаты не противоречат друг другу.
Сравнивая наши данные с данными [75], которые были получены на аппарате Bruker Medsp S200 с полем 2 Тл для мужчины 62 лет, где получено: C(NАА) = 11.12 ммоль/литр, также отмечаем хорошее совпадение.
Погрешность для C(NAA) в наших результатах находится в пределах от 2 до 9 %. Этот разброс данных, а так же разброс концентраций других веществ отражает следующие особенности:
1. Индивидуальные отличия в норме, характерные для добровольцев на момент обследования (один из них обследовался дважды в 19 и 20 лет). Эти отличия, в частности, обусловлены присутствием кроме основного сигнала -других малых по величине сигналов от молекулярных групп, близких по химическому сдвигу.
2. Колебания концентраций метаболитов из-за индивидуальных особенностей физиологических процессов в рассматриваемом участке головного мозга это может быть связано с эмоционально-психическим состоянием добровольца на момент обследования.
3. Кроме этого, разброс определяется погрешностями, выносимыми приближенностью вычислительной процедуры коррекции базовой линии спектра, а также обусловлены уровнем случайных электромагнитных шумов.
В Таблице 4.1 представлен также химический сдвиг для ЯМР-сигнала воды о(Н20), который был вычислен по спектрам без подавления воды при использовании сигнала от СН3 группы NAA как опорного сигнала r(NAA) = = 2.010 м.д. [63]. Как видим, химический сдвиг воды определяется с высокой точностью, что также подтверждает достоверность результатов, полученных с использованием нашей методики. В данном случае химический сдвиг отражает индивидуальные отличия обследованных добровольцев. Можно предположить, что вариации химического сдвига связаны, вероятно, прежде всего, с отличиями в соотношении количеств внутриклеточной и внеклеточной воды. Данные о а(Н20) могут служить в будущем, по-видимому, дополнительным параметром оценки состояния тканей головного мозга в норме и при патологии.
