Новый вид магнитно-резонансной томографии помогает изучить процесс дыхания
|
Новый вид магнитно-резонансной томографии впервые позволил увидеть воздействие силы тяжести и позы человека на форму и вентиляцию легких. В перспективе эта методика позволит изучить характер вентиляции легких у астматиков и тучных людей при смене положения, а также оптимизировать выполнение сложных хирургических операций и контролировать процесс дыхания критически больных пациентов прямо в палате интенсивной терапии.
В физиологии человека долгое время оставался малоизученным вопрос: как дыхание зависит от силы тяжести и положения человека в пространстве (вертикальное, горизонтальное на спине или на животе, наклонное, вниз головой и т. д.)? При изменении позы внутренние органы смещаются под действием силы тяжести, изменяя рабочий объем легких и влияя на физиологию дыхания. Понимание этой зависимости позволит оптимизировать проведение сложных хирургических операций, а быстрый и эффективный мониторинг легких прямо в палате интенсивной терапии может помочь пациентам в критическом состоянии. Это особенно важно для беременных женщин, для людей, страдающих ожирением и одышкой, а также для астматиков.
Главная причина недостаточной изученности этих вопросов кроется в том, что используемые методы наблюдения за вентиляцией легких сильно ограничивают пациента в движении — практически всегда речь идет о наблюдении за легкими горизонтально лежащего пациента.
Лишь в последние годы, с разработкой слабопольной ЯМР-томографии с гиперполяризованным гелием, стало возможно наблюдать за изменениями в физиологии дыхания при смене положения внутри одной и той же установки. Первые результаты такого исследования, проведенного гарвардскими учеными, появились в недавнем препринте Arxiv:0707.3455.
Томография с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основана на том, что атомные ядра во внешнем магнитное поле прецессируют. Частота прецессии зависит от сорта ядра и от величины внешнего магнитного поля. Если теперь создать небольшой импульс радиоволн на частоте, совпадающей с этой частотой прецессии, то он вступит в резонанс с этими ядрами и быстро ими поглотится. Можно создать такое распределение магнитного поля, чтобы резонанс наступал не везде сразу, а только в определенной точке организма. Тогда по величине затухания радиоимпульса можно будет получить ЯМР-отклик от этой точки, а сканируя таким образом всё тело, можно получить и цельное его ЯМР-изображение.
Чем сильнее магнитное поле, тем больше средняя поляризация вещества и тем более сильным получается ЯМР-отклик. Из-за этого в стандартной методике используются как можно более сильные поля для повышения контрастности изображения.
Стандартная методика магнитно-резонансной томографии позволяет сканировать плотные ткани, но совершенно не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких. Впрочем, ее удалось применить и к легким, перестроив ее на детектирование гелия-3 и дав пациенту вдохнуть этого безвредного газа. Однако как стандартная магнитно-резонансная, так и другие виды томографии обладают важным недостатком: в силу конструкционных особенностей установки (в частности, необходимость создания сильных магнитных полей) человек при этом вынужден лежать горизонтально. Это не позволяет проследить, как при смене позы человека изменяется рабочий объем и вентиляции легких.
Ситуация начала меняться в 1994 году, когда физики научились поляризовать гелий предварительно и лишь потом давать его вдохнуть пациенту. Такой гиперполяризованный газ очень хорошо детектируется магнитно-резонансными томографами, что резко увеличивает контрастность томографических изображений легких. Но самое главное — в этом случае уже нет нужны использовать очень сильное магнитное поле, потому что гелий заранее поляризован. А это значит, что можно сконструировать слабопольный томограф, подешевле и посвободнее. Его уже можно будет перемещать с места на место, а пациент в нём может менять позы.
Целый ряд исследовательских групп несколько лет назад приступили к созданию и испытанию таких томографов. Среди них была и группа из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) и Гарвардского университета под руководством Рональда Валсворта (Ronald L. Walsworth). В недавнем препринте Arxiv:0707.3455 были обнародованы первые научные результаты, полученные на сконструированной ими установке.
Установка гарвардских исследователей представляет собой два электромагнита, создающих поле 0,0065 Тесла, что в сотни раз слабее стандартных ЯМР-томографов. Между электромагнитами остается свободное пространство шириной почти метр; в нём размещается койка с пациентом, которая может произвольно поворачиваться в вертикальной плоскости. Система наблюдения позволяет получать изображения ЯМР-отклика гелия-3 в области размером примерно 40 см в виде картинки 256 на 256 пикселов. Для получения картинки достаточно одного вдоха смеси гелия с кислородом и задержки дыхания на 30 секунд.
|
В первой серии экспериментов, которые и были описаны в препринте, исследователи сравнивали снимки (как двумерные, так и трехмерные, разбитые на несколько слоев) для пациентов в горизонтальном и вертикальном положении и обнаружили различия в нижней части легких. У лежащего на спине человека диафрагма чуть сдавливает легкие в области живота, и они поэтому чуть удлиняются снизу, ближе к спине. Такого эффекта не наблюдается при вертикальной ориентации.
Следующим шагом станет наблюдение за тем, как яркость ЯМР-изображения уменьшается со временем. Уменьшение яркости связано с потерей гелием поляризации за счет столкновения с молекулами кислорода и значит, позволяет узнать распределение кислорода в легких. Ну и конечно исследователи будут работать над улучшением пространственного разрешения изображений. Первые эксперименты проводились пока только со здоровыми людьми, но как только методика будет отлажена, можно будет попытаться понять, к каким именно аномалиям в физиологии дыхания приводит смена позы у астматиков или тучных людей.
Источник: L. L. Tsai et al. Posture-Dependent Human 3He Lung Imaging in an Open Access MRI System: Initial Results // e-print Arxiv:0707.3455 [physics.med-ph], статья направлена в журнал Academic Radiology.
Игорь Иванов
