Geum.ru

Высокопольная магнитно-резонансная томография: возможности, безопасность, ограничения

Вид материалаДокументы

Содержание


Аппаратное обеспечение
Физические эффекты
Опасные факторы и побочные эффекты
Подобный материал:


ВЫСОКОПОЛЬНАЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ: ВОЗМОЖНОСТИ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ОГРАНИЧЕНИЯ

А.О. Казначеева Научный руководитель - д.м.н., профессор Н.И. Ананьева (Научно-исследовательский психоневрологический институт им. В.М. Бехтерева)


Работа посвящена анализу диагностических возможностей магнитно-резонансных томографов. Рассмотрены возможности использования высокопольных систем, возникающие физические эффекты (изменение времен релаксации, химический сдвиг), оценка увеличения соотношения сигнал/шум и ограничения, связанные с коэффициентом поглощенного РЧ-излучения. Отдельное внимание уделено вопросам безопасности пациента при наличии металлических имплантов и побочным эффектам.

Ключевые слова: магнитное поле, радиочастотное излучение, биологическое воздействие, безопасность

Введение

Технология исследований внутренней структуры объектов с помощью магнитного резонанса непрерывно совершенствовалась последние 20 лет в направлении создания более сильных постоянных магнитных полей, более быстрых и мощных градиентных магнитных полей, более эффективных радиочастотных (РЧ) передающих катушек. Появившиеся около 4 лет назад магнитно-резонансные (МР) томографы с полем 3 Тл первоначально использовались исключительно для научных исследований. Очень быстро высокопольные системы получили широкое распространение среди медицинской диагностической аппаратуры и сейчас по приблизительным оценкам во всём мире установлено уже более 1000 подобных систем, используемых в клинической практике. Предпосылки развития высокопольной МР-томографии связаны с возможностью достижения более высокого соотношения сигнал/шум, контрастности и высокого пространственного и/или временного разрешения, необходимых для ряда приложений [1]. В настоящий момент все крупные производители выпускают МР-сканеры с полем 3 Тл не отличающиеся по размеру и массе от стандартных 1,5 Тл систем.

Основной областью использования высокопольных МР-систем является неврология, где сильные магнитные поля позволяют проводить функциональные и молекулярные исследования с высоким разрешением. Если первые МР-системы не отличались высокой чувствительностью РЧ-катушек для всего тела, то за последние 5 лет разработки в области аппаратного обеспечения сделали возможным проведение МР-томографии всего тела с высоким разрешением и соотношением сигнал/шум.

Использование сильных магнитных полей позволяет существенно увеличить диагностические возможности томографии, однако уже сейчас ясно, что они также являются источником целого ряда ограничений на использование подобных систем. В данной работе будут рассмотрены некоторые проблемы, затрагивающие качество исследований и появившиеся с внедрением в клиническую практику 3Тл-систем.

Аппаратное обеспечение

Предпосылкой появления сканеров, создающих сильные магнитные поля, было неинвазивное получение физиологической и биохимической информации путём регистрации МР-сигналов от молекул воды и метаболитов. В 2002 г, после почти 15 лет исследований, МР-томографы с полем 3 Тл были внедрены на рынок, когда FDA разрешила использовать в медицине Мр-сканеры фирм General Electric, Siemens и Philips [2]. Такие системы создаются на основе сверхпроводящих магнитов, где

максимальная напряженность магнитного поля ограничена значением критического поля ниобий-титанового сверхпроводника, используемого в современных МР-томографах и позволяющего создавать поля до 12 Тл. Сплав ниобий-олово позволяет создавать поля до 30 Тл, однако высокая хрупкость материала затрудняет его использование. В настоящий момент наиболее мощные МР-системы для научных исследований установлены в Университете Иллинойса в Чикаго (9,4 Тл), в Массачусетском Университете (7 Тл), в центре магнитного резонанса Университета Минесотты (4 Тл и 7 Тл).


Увеличение силы магнитного поля приводит к увеличению массы системы, расхода криогенного вещества и экранируемой области. Масса коммерческих МР-сканеров с полем 3 Тл примерно в 2 раза больше массы аналогичных систем с полем 1,5 Тл и составляет около 10000 кг (табл. 1). Расход криогенных веществ для современных систем снижен с 0,15 л/ч до 0,03-0,075 л/ч. Высокопольные системы требуют высокой однородности магнитного поля, составляющей 0,2 ppm для сферы 30 см или 0,1 ppm для сферы 20 см и достигаемой за счет автоматического шиммирования. Так называемая «особая зона», ограниченная линией 5 Гаусс, в которую запрещается вносить любые биомедицинские устройства, для 3Тл-систем также незначительно больше, чем для стандартных МР-томографов.

При любой напряженности поля желательны более сильные градиенты для лучшего отображения небольших или движущихся областей и шиммирования. В сильных полях высокопроизводительные градиенты обязательны для более быстрого сбора данных и высокого пространственного разрешения, однако предельное значение скорости переключения градиентов dB / dt ограничено нормативами по технике безопасности. Одним из путей решения этой проблемы явилось создание аппаратного обеспечения, позволяющего для ряда подобных приложений (например, кардиология, неврология) создавать в небольшом объеме высокопроизводительные линейные градиенты с высокой скоростью нарастания и необходимой амплитудой, не вызывающих болевых эффектов в конечностях. Другая проблема, связанная с градиентной подсистемой, заключается в сильном акустическом шуме, напрямую зависящем от силы основного магнитного поля.

В полях свыше 3 Тл чувствительность к РЧ-полям возрастает практически линейно, но в большой мере неоднородна из-за диэлектрической проницаемости, удельной проводимости и структуры тканей пациента. Диэлектрические свойства ткани приводят к появлению в центре изображения области гиперинтенсивного сигнала. Некоторые эффекты могут быть компенсированы путём совершенствования


конструкции РЧ-катушек и использованием методов постобработки, однако перепады интенсивности сигнала на изображении остаются сложной проблемой, определяющей направления развития приемо-передающей системы (рис. 1).


Основное преимущество сильных полей это увеличение соотношения сигнал/шум (SNR ), которое теоретически должно удваиваться при увеличении магнитного поля в 2 раза. Однако на практике это не достижимо из-за различных эффектов, связанных с магнитными полями (изменение времен релаксации тканей, магнитной восприимчивости). Как правило, высокий SNR используется для более быстрого сбора данных (повышение временного разрешения) или в более точной визуализации мелких деталей (повышение пространственного разрешения).

Основным фактором, ограничивающим время исследования, является удельный коэффициент поглощения (SAR), отражающий РЧ-энергию, поглощенную единицей массы [3]. Для клинических исследований предельное значение SAR составляет 4 Вт/кг массы пациента. Данное значение гарантирует, что температура тела пациента не повысится более чем на 1° за 15 минут исследования. Существует три режима эксплуатации МР-томографов с соответствующими значениями SAR. В нормальном режиме эксплуатации значение SAR не превышает 1,5 Вт/кг в течение 15 минут. В контролируемом режиме первого уровня значение SAR не превышает 4 Вт/кг. Контролируемый режим второго уровня используется только в научных исследованиях и допускает SAR свыше 4 Вт/кг. Утверждены следующие предельные значения SAR :
  • 4 Вт/кг для всего тела в течение 15 минут;
  • 3 Вт/кг для головного мозга в течение 10 минут;
  • 8 Вт/кг для конечностей в течение 5 минут.

Значение SAR определяется преимущественно РЧ-импульсами, используемые для создания МР-сигнала и пропорционально квадрату угла отклонения вектора намагниченности а для выбранной методики и квадрату основного магнитного поля


2 D 2

SAR xiL. TR

Таким образом, РЧ импульсы, подаваемые в поле 3 Тл, сообщают в 4 раза большую энергию, чем в поле 1,5 Тл. Использование последовательностей с подавлением сигнала от выбранных веществ или быстрых методик исследования с несколькими 180°-импульсами дает высокие значения SAR и объясняет недостижимое на практике ускорение сканирования в 3 Тл системах при одинаковом значении SNR .

Физические эффекты


Контрастность различных тканей на МР-изображений определяется значениями их времен Т1 и Т2 релаксации, являющихся функцией напряженности основного магнитного поля. Увеличение поля с 1,5 Тл до 3 Тл незначительно изменит время T2 релаксации, в то время как время T1 релаксации увеличится примерно на 30-50%, что объясняет зависимость контрастных характеристик биологических тканей от силы поля (рис. 2). Например, спин-эхо импульсные последовательности характеризуются сниженной контрастностью между белым и серым веществом, хотя этот эффект можно несколько откорректировать увеличивая время повторения последовательности (TR). С другой стороны, увеличение времен T1 релаксации приводит к значительному улучшению качества времяпролетной (TOF) ангиографии, т.к. малая T1 релаксация и короткое время TR обеспечивают лучшее подавление сигнала от стационарных тканей.

Одним из недостатков сильных полей является повышение чувствительности к эффектам магнитной восприимчивости. В сильных полях различная восприимчивость обусловлена большими изменениями магнитного поля, что приводит к более быстрому расфазированию спинов и к уменьшению времени T2* [4]. Данный эффект дает прекрасный результат для функциональных исследованиях (BOLD-контраст), однако качество анатомических изображений часто страдает от изменений магнитной восприимчивости и артефактов, наиболее выраженных на границе раздела двух сред (рис. 3а). Наилучший способ коррекции таких изображений - оптимизация параметров импульсной последовательности и алгоритма реконструкции (уменьшение длины эхо-трейна, параллельное отображение, сегментация -пространства).

В поле 3 Тл для заданной полосы частот импульсной последовательности удваивается артефакт химического сдвига, а разница резонансных частот протонов воды и жира составляет 447 Гц (для поля 1,5 Тл она составляет 223 Гц). Этот эффект может серьезно ухудшить качество МР-изображений. Увеличение полосы частот может его частично снизить, однако это приведет к уменьшению SNR . Лучшего эффекта позволяет достичь использование методики частотного подавление сигнала от жира, которая, однако, требует высокой однородности магнитного поля и системы шиммирования, использующей шиммы первого и второго порядка. Для получения сигналов воды и жира в фазе или в противофазе также необходимо подбирать время эхо-сигнала TE: если в поле 1,5 Тл значения TE для отображения в фазе и противофазе составляют 4,5 мс и 6,7 мс, то в поле 3 Тл они равны 2,2 мс и 3,4 мс соответственно.


Опасные факторы и побочные эффекты

Исследования в области безопасности МР-томографии не показали отрицательного биологического воздействия магнитных полей до 4 Тл, используемых в клинической практике. Однако следует помнить, что движение электрически проводящей крови может создавать электрический потенциал, и в магнитном поле создаст небольшое напряжение через сосуд и даст на электрокардиограмме удлиненный Т-зубец. Поэтому при исследованиях в полях свыше 2 Тл необходим ЭКГ-мониторинг пациентов.

В отличие от основного магнитного поля, постоянно присутствующего в томографе, градиентные поля включаются в определенные интервалы времени в соответствии с выбранной методикой. Слишком быстрое переключение градиентов может наводить электрические токи в теле и привести к стимуляции периферических нервов [5]. Этот эффект может вызвать непроизвольные движения или эффект чувствительности в конечностях, но не является опасным. Исследования показали, что порог для стимуляции жизненно важных органов (например, сердца) значительно выше, чем для стимуляции периферических нервов и составляет около 200 Тл/с. При достижении порогового значения dB / dt = 20 Тл / с на консоли оператора появляется предупреждающее сообщение, однако поскольку индивидуальный порог может отличаться от теоретического значения, в сильных полях постоянно необходим мониторинг состояния пациента.

Металлы, даже не магнитные, являются хорошими проводниками электричества и могут накапливать РЧ-энергию, что будет приводить к их разогреву. РЧ-поля вызывают вихревые токи в замкнутых контурах и в петлях проводников, а также могут создавать существенное напряжение в вытянутых, незамкнутых проводниках, например, в стержнях и проволоке, вызывая нагрев имплантированных металлических объектов. Длина электромагнитных волн в теле составляет лишь 1/9 длины волны в воздухе и явление резонанса может возникнуть в относительно коротких имплантах, вызывая разогрев концов проводника [6-7].

Металлические объекты и внешние устройства, как правило, небрежно считаются безопасными, если они немагнитные и имеют маркировку «МР-совместимы». Однако, важно убедиться, что объекты, находящиеся при сканировании внутри рабочей области магнита, не восприимчивы к индукции. Пациенты с имплантами допускаются к МР-исследованию только в случае, если импланты являются одновременно и

немагнитными, и достаточно малыми чтобы разогреваться при сканировании. Если объект длиннее, чем половина длины РЧ волны, в теле пациента может возникнуть резонанс с высокой индукцией. Предельные размеры металлических имплантов составляют 79 см для поля 0,5 Тл и только 13 см для 3 Тл.

Переключение градиентных полей создает сильный акустический шум во время МР-исследования. Чем более мощный усилитель и чем выше напряженность магнитного поля, тем больше создаваемый акустический шум, значение которого по нормативным документам не должно превышать 99 дБ и для большинства клинических систем составляет около 30 дБ.

Заключение

Безусловным преимуществом сильных магнитных полей является увеличение соотношения сигнал/шум и изменения контрастности тканей, что определяет их новые возможности в области медицинской диагностики. Однако техническое несовершенство 3Тл-систем ограничивает их коммерческое использование по сравнению с широко представленными на рынке системами с полем 1,5 Тл. Дальнейшей доработки требует технология исследования, протоколы сканирования нуждаются в значительных изменениях по сравнению с используемыми в системах с полем 1,5 Тл, а многие стандартные катушки и методики исследований пока не доступны в полной мере в подобных высокопольных системах. Вместе с тем, высокое качество изображений и новые методики исследований, связанные с преимуществами сильных полей, позволяют системам с полем 3 Тл занять ключевые позиции на рынке медицинской техники.

Литература
  1. Stafford J. High field MRI: technology, application, safety and limitations. [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.aapm.org/meetings/05AM/pdf/18-2826-94182-387.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.
  2. Shellock F.G., Crues J.V. MR procedures: biologic effects, safety and patient care //Radiology. - 2004. - Vol. 232. - РР. 635-652.
  3. Brix G., Reinl M., Brinker G. Sampling and evaluation of specific absorption rates during patient examination performed on 1.5-Tesla MR systems // Magnetic resonance imaging.



  • 2001. - Vol. 19. - РР. 769-779.
  1. Bernstein M.A., Huston J., Ward H.A. Imaging artifacts at 3.0 T // Journal of magnetic resonance imaging. - 2006. - Vol. 24. - РР. 735-746.
  2. Faber S., Hoffmann A., Rueding C., Reiser M. MRI-induced simulation of peripheral nerves: dependency of stimulation threshold on patient positioning // Magnetic resonance imaging. - 2003. - Vol. 21. - РР. 715-724.
  3. Shellock F.G. Biomedical implants and devices: assessment of magnetic field interactions with a 3.0-Tesla MR system //Journal of magnetic resonance imaging. - 2002. - Vol. 16.
  • РР. 721-732.
  1. Shellock F.G. Magnetic resonance safety updates 2002: implants and devices //Journal of magnetic resonance imaging. - 2002. - Vol. 16. - РР. 485-496.