Введение к работе
Актуальность темы
Работа посвящена проблемам регистрации температурных полей внутри биоорганических сред методом магнитно-резонансной томографии (МРТ). МРТ-термометрия актуальна для различных областей медицинской практики - это и медицинская термотерапия (гипо- и гипертермия), основанная на соответствующих биологических эффектах в условиях пониженной или повышенной температуры, и диагностика различных заболеваний, имеющих отличные от здоровых тканей температурные показатели (опухолевые процессы, ишемия и др.). Разработка бесконтактных методов термометрии также актуальна для радиационной медицины и радиобиологических исследований. По данным исследований [Levendag Р.С, 1992; Tsafhat N., 2005] комбинация радиационного облучения с термотерапией имеет явные преимущества по сравнению с просто повторным облучением. В недавней работе [Rieke V., 2008] приведена положительная статистика по методам радиотерапии с применением гипертермии. Тепловое воздействие предполагает строгий контроль температуры в зоне нагрева. Обычно его производят с помощью термозондов -датчиков, работающих в режиме тепловых болометров. Такой локальный и инвазивный способ регистрации температуры, как правило, не охватывает всю зону температурного воздействия, а во многих случаях совершенно невозможен из-за несовместимого с жизненными функциями повреждения тканей. Дополнительные сложности контроля температуры возникают из-за неоднородности исследуемых тканей и механизмов отвода тепла живыми системами.
Основными факторами, ограничивающими применение многих современных видов термотерапии в медицине, являются инвазивность и инерционность при определении температуры в зоне интереса, невысокая точность получаемых данных. В этой связи представляется особенно актуальным развитие неинвазивных методов контроля температурных полей и включение их в практику медицинской диагностики.
Перспективы применения бесконтактных термометрических методик на основе ЯМР и МРТ связываются с сильной зависимостью параметров спиновой системы к температуре. МРТ-метод неинвазивен и в сравнении с контактными методами контроля температурных полей предполагает многократно расширенный охват исследуемой области. Однако для значительного расширения функционала современных MP-исследований в области медицинской термотерапии требуется адаптация уже известных методических подходов для надежной регистрации эффекта. Попытки решить эту задачу проводятся во всем мире. Однако установление
общих закономерностей регистрации температурных полей методом МРТ происходит в рамках разнообразных биомедицинских исследований, как правило, на сложных объектах, путем медленного накопления опытных фактов, получаемых на разном МРТ-оборудовании, из-за чего экспериментальные данные получаются специфичными и трудно сопоставимыми.
Целью работы стала разработка подходов к решению актуальной для МР-термометрии проблемы: неинвазивное измерение температурных полей внутри биологических тканей in vivo методом МРТ на основе регистрации температурной зависимости параметров ЯМР - времени продольной релаксации и химического сдвига.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
-
Проведение анализа параметров ЯМР, чувствительных к температуре в зоне интереса, и изучение возможностей методов, способных регистрировать эти параметры с высокой точностью.
-
Создание термометрической установки для модельных измерений, способной работать в MP-томографах не только в слабом (0.5 Тл), но и сильном магнитных полях (до 7 Тл) и позволяющей проводить надежные измерения температуры как контактным, так и МРТ методом.
-
Исследование температурных зависимостей параметров ЯМР на модельных образцах.
-
Анализ и выявление эффективных методов МРТ термометрии на основе полученных экспериментальных данных.
-
Проведение экспериментов in vivo на лабораторных животных в режиме локальной ЯМР спектроскопии.
Положения, выносимые на защиту
Наиболее эффективными и корректными способами МРТ-термометрии являются измерения температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига характерных линий в локальном ЯМР спектре.
Модельные эксперименты и измерения in vivo показали высокую достоверность получения данных исходя из установленных температурных зависимостей продольного времени релаксации и химического сдвига.
Локальная ЯМР спектроскопия in vivo с выделением анализируемого воксела посредством неоднородных магнитных полей позволяет по характеристикам ЯМР спектра (химсдвигу и распределению интенсивностей спектральных линий) определять не только метаболический портрет, но и температуру выделенной ткани.
Научная новизна и практическая значимость результатов
Предложен модельный подход с применением фантомов для дальнейшего развития и применения MP-термометрии в практике биомедицинских исследований. Для достижения поставленной цели разработаны и созданы МРТ-совместимые экспериментальные установки, способные работать в широком диапазоне магнитных полей (до 7 Тл).
Продемонстрирована эффективность использования модельного подхода в развитии методов MP-термометрии. Метод локальной ЯМР спектроскопии, применяемый для анализа метаболических процессов внутри выделенного воксела, адаптирован для in vivo измерения температуры живой ткани по изменениям химического сдвига. Результаты диссертационного исследования могут использоваться в качестве ориентиров при разработке медицинских методов МР-термометрии для практического применения в биомедицинских исследованиях.
Апробация работы
Результаты исследований были доложены на 3-ем Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (Москва, 21-26 июня 2010 г.), международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2011» (Москва, 11-15 апреля 2011 г.) и «Ломоносов-2012» (Москва, 9 - 13 апреля 2012 г.), научно-практической конференции «Инновационный проект 2011» (Москва, 11 октября 2011 г.), конференции Spinus
-
(Санкт-Петербург, 27 ноября - 3 декабря 2011 г.), V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5) (г. Троицк, 4-8 июня
-
г.), International Symposium and Summer School in Saint Petersburg «NMR in Heterogeneous Systems», the 9th meeting: «NMR in Heterogeneous Systems» (Санкт-Петербург, 9-13 июля 2012 г.).
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях - 3 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и 8 в тезисах и трудах перечисленных конференций.
Структура и объем работы
