Коллектив ученых из Университета Кейс Вестерн Резерв (США) описал новый метод, позволяющий проводить магнитно-резонансную томографию (МРТ) одновременно с двумя контрастами. Такой подход, к примеру, позволяет точнее визуализировать распределение биологически специфичного контраста по сравнению с неспецифичным контрольным веществом, что повышает точность и уменьшать время процедуры. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

МРТ на сегодняшний день является одним из самых эффективных методов визуализации внутренних органов и тканей. Этот метод основан на явлении ядерного магнитного резонанса, который происходит в сильном магнитном поле и сопровождается электромагнитным излучением в радиодиапазоне. Такая комбинация воздействий оказывается значительно менее вредной чем другие методы томографии — в компьютерной, например, используется более агрессивное рентгеновское излучение. Однако и у МРТ есть некоторые ограничения, среди которых, например, наличие у пациента металлических имплантатов.

Giphy

Другим ограничением можно назвать работу с контрастами. Так называют вещества, которые дают более сильный сигнал в МРТ, чем вода или жировые ткани, которые обычно визуализируют в этом методе. Тем или иным образом введенный контраст позволяет получить снимок нужной области с большим разрешением, тем самым повышая информативность обследования. Кроме того, вещество-контраст можно сделать специфичным, например, к определенным белкам — тогда МРТ -снимок позволит дополнительно узнать распределение тех или иных агентов в организме. Для такой диагностики обычно нужно сделать два обследования: одно со специфичным, а другое — с нейтральным контрастом, чтобы получить итоговый снимок по разнице двух.

В силу особенностей метода до сих пор практически не удавалось создать такой метод, в котором МРТ могла бы одновременно отследить два различных контраста. Поэтому между двумя последовательными обследованиями проходит достаточно много времени, чтобы состояние организма могло измениться, а из-за этого, в свою очередь, снимки двух контрастов не всегда предоставляют достоверную информацию. Метод, разработанный американскими учеными, направлен как раз на решение этой проблемы.

Авторы опирались на базовую математическую модель, описывающую типичное МРТ исследование. Ключевые параметры, которые в нем измеряются, — это времена релаксации, которые обычно обозначают T1 и T2. Первое — это характерное время так называемой спин-решеточной релаксации, оно определяется скоростью, с которой спины, выстроившиеся параллельно внешнему магнитному полю томографа, возвращаются к равновесному положению. Время T2 — время спин-спиновой релаксации — определяет то же самое, но для компоненты спина, лежащей перпендикулярно направлению внешнего поля. Времена T1 и T2 можно измерить независимо, и для обоих величин математическая модель предполагает их простую линейную связь с концентрацией визуализируемого вещества (например, контраста).

В новом эксперименте ученые предопложили, что линейная связь для времен релаксации сохранится и при одновременном исследовании двух контрастов. Тогда можно независимо измерить времена T1 и T2, а также прочие константы, входящие в модель (релаксивности обоих веществ, а также времена релаксации при нулевых концентрациях контрастов), и получить систему из двух уравнений с двумя неизвестными — концентрациями контрастов. Если это предположение верно, то в одном МРТ-эксперименте можно одновременно определить концентрации двух контрастов.

Распределение концентраций двух контрастов в 17 фантомах. Слева резульататы, полученные в МРТ, справа — известные карты концентраций. Christian E. Anderson et al./ Scientific Reports

Для того, чтобы увеличить точность измерения, авторы подобрали контрасты с сильно отличающимися релаксивностями: препарат гадолиния (один из самых популярных контрастов для МРТ) и хлорид марганца. Оба металла являются парамагнетиками, поэтому обладают сильным откликом в МРТ, при этом их спин-спиновые релаксивности различаются на порядок. Авторы провели измерения времен T1 и T2 для препаратов с различными концентрациями марганца и гадолиния и показали, что концентрации, измеренные в МРТ с большой точностью совпадают с независимо измеренными величинами (ученые приводят данные о корреляции Пирсона: 0.998). Все измерения проводились in vitro в так называемых фантомах — специальных емкостях для МРТ.

Чтобы продемонстрировать полные возможности нового метода, авторы также воспользовались модификацией МРТ под названием MRF (magneto-resonance fingerprinting), которая основана на составлении баз данных о поведении контрастов в различных режимах томографии. Оригинальная работа по MRF преследовала своей целью получить базу «отпечатков» различных тканей организма, по которой впоследствии при помощи статистических методов распознавания можно было бы точнее визуализировать карты распределения исследуемого вещества. 

В новом исследовании авторы использовали вариацию MRF, чтобы одновременно проанализировать сразу несколько фантомов с различными концентрациями контрастов. Таким образом ученым удалось получить карты распределения концентраций гадолиния и марганца в 17 фантомах. По этим результатам авторы делают вывод о применимости двухконтрастного метода в МРТ. Ученые также отмечают, что их работа не только описывает новый метод, но и подтверждает применимость математической модели, описывающей линейный отклик для двух независимых контрастов. Однако в будущем потребуется подтвердить эти результаты в экспериментах in vivo.

Помимо традиционных применений МРТ существует множество менее распространенных, но не менее впечатляющих разновидностей. Так, с помощью функциональной МРТ можно не только увидеть строение тканей и наличие внутренних патологий, но и проследить за активностью тех или иных участков головного мозга. Это достигается за счет того, что активность нейронов связана с локальным увеличением кровотока в соответствующей области, что и отслеживается при помощи МРТ. С помощью такого метода ученым удавалось, например, выявить расстройства аутистического спектра у детей возрастом всего 6 месяцев или увидеть, что происходит с мозгом человека, принявшего LSD.

Автор: Тарас Молотилин