Невидимое становится видимым благодаря магнитным полям и радиочастотным импульсам. Магнитно-резонансная томография, основанная на этих технологиях, помогает врачам выявлять патологии и оценивать состояние пациента. Но это не просто медицинский инструмент, а целая область научных исследований. Ученые постоянно ищут способы сделать МРТ лучше. Поговорили с кандидатом технических наук, научным сотрудником Университета ИТМО Екатериной Бруй о том, как изменится магнитно-резонансная томография, что отличает ее от других методов и почему МР-томографы такие дорогие.
— Начнем базы. Как работает МРТ?
— В отличие от других методов диагностики, включая томографические, магнитно-резонансная томография основана не на фиксации лучей или частиц, которые проходят через ткани тела человека или отражаются от них. МРТ опирается на явление ядерного магнитного резонанса.
Человеческое тело в основном состоит из воды, а молекула воды содержит два атома водорода. Соответственно, в нашем организме присутствует огромное количество протонов — ядер атомов водорода. Магнитно-резонансные томографы, которые применяются в клинической практике, работают именно с протонами.
Когда тело человека или любой другой образец помещается в постоянное магнитное поле, у протонов происходит расщепление энергетического уровня — так называемый ядерный эффект Зеемана. Это расщепление приводит к тому, что протоны распределяются между этими уровнями неравномерно и в ансамбле приобретают определенную макроскопическую намагниченность, сонаправленную с постоянным магнитным полем.
С помощью воздействия коротким радиочастотным импульсом можно отклонить вектор намагниченности от исходного направления. Это вызовет его вращение и, как следствие, радиочастотное излучение на частоте вращения, которое можно принять радиочастотной катушкой (своего рода антенны, которые накладывают на различные части тела пациента). Например, для томографа с напряженностью магнитного поля 1,5 тесла частота составляет примерно 64 МГц. Это ниже, чем у FM-радиостанций, и безопасно. Таким образом, можно возбудить и принять сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
В прошлом веке ученые заметили, что частота ядерного магнитного резонанса зависит от напряженности постоянного магнитного поля. Это открытие привело к идее, предложенной несколькими исследователями, среди которых был Владислав Иванов, впоследствии долго работавший в Университете ИТМО. Суть заключалась в следующем: если на короткое время сделать постоянное магнитное поле неоднородным (градиентным), то частота резонанса для разных участков тела будет отличаться. Это позволило бы при помощи метода преобразования Фурье (математический инструмент, используемый для анализа функций и сигналов) определить, из какой части тела пришёл конкретный сигнал, и восстановить изображение.
Владислав Иванов предложил этот метод еще в 1960 году и подал заявку на патент. Однако ему отказали, посчитав, что идея слишком революционна и что существующие на тот момент вычислительные мощности не смогут справиться с такими расчетами. Тем не менее в 1973 году американский ученый Пол Лотербур получил первые изображения методом МРТ. За это он был удостоен Нобелевской премии. После того как стало ясно, что идея действительно работает, Владислав Иванов получил патент, хотя это произошло только в 1984 году.
— Что отличает МРТ от других методов обследований?
— Манипулируя намагниченностью, создаваемой в результате помещения объекта или человека в постоянное магнитное поле, можно кодировать интенсивность сигнала на изображении по огромному количеству функциональных характеристик ткани. С помощью специальных методик, называемых импульсными последовательностями, можно сделать так, чтобы сигнал на МРТ-изображении отражал не только плотность ткани (как это обычно происходит в рентгеновских методах), но и другие параметры. Например, скорость диффузии молекул воды в тканях, содержание свободной или связанной воды, степень структурированности тканей в исследуемой области и прочее.
Эти параметры отражаются на МРТ в виде разных контрастов. Когда пациент проходит МРТ-исследование, обычно получается не одно изображение, а целый набор снимков с разными контрастами. Это позволяет врачам точнее дифференцировать патологии: получив изображение с определенным контрастом, можно спутать патологию с другой, однако дополнительные снимки с двумя, тремя или четырьмя разными контрастами позволяют в большинстве случаев достоверно определить тип патологии.
МРТ особенно полезна для визуализации мягких тканей. Однако у этого метода есть и недостаток: поскольку кости содержат мало воды, они дают слабый сигнал на МРТ. В таких случаях для диагностики эффективнее использовать рентген.
— Из чего состоит МРТ-аппарат, который мы видим в медицинских учреждениях?
— Есть три основные подсистемы. Первая — это магнит. Он может быть либо постоянным, либо обычным электромагнитом, либо сверхпроводящим электромагнитом. В клинических системах 1,5 или 3 тесла используются сверхпроводящие магниты. В более низких магнитных полях могут применяться два остальных, но такие томографы встречаются реже.
Также есть радиочастотная система, которая создает импульсное радиочастотное поле для возбуждения протонов и принимает ЯМР-отклик. Еще одна подсистема — градиентная — создает неоднородность постоянного магнитного поля для кодирования сигнала в пространстве. Мы кодируем сигнал МРТ и по функциональным характеристикам тканей, и по пространственному расположению, что позволяет получать саму картинку томографическими методами.
Еще есть управляющая система. Она задает импульсные последовательности, принимает сигналы, реконструирует и выполняет цифровую обработку данных. В этой части МРТ задействованы различные математические методы и методы цифровой обработки сигналов и изображений. Постобработка играет огромную роль: даже из уже готовых МРТ-изображений можно извлечь дополнительные данные.
— Как влияет мощность МР-томографа на результаты исследования? Например, если выбрать аппарат на 1,5 или 3 тесла, какие могут быть различия?
— Это в первую очередь влияет на уровень ЯМР-сигнала, который мы получаем. Этот сигнал очень слабый. Чтобы его усилить, используется несколько подходов. Один из них — переход на более высокие магнитные поля. Эффект Зеемана показывает, что разница в населенности энергетических уровней протонов прямо пропорциональна напряженности магнитного поля. Чем сильнее магнитное поле, тем выше эта разница, что приводит к большей суммарной намагниченности и, соответственно, более сильному сигналу.
Использование томографов с магнитным полем 3 тесла вместо 1,5 тесла позволяет улучшить отношение сигнал — шум и получить более высокое разрешение изображений. В клинической практике уже применяются аппараты мощностью 7 тесла, обеспечивающие еще большее разрешение. Однако повышение напряженности магнитного поля увеличивает и частоту радиочастотных импульсов, которые применяются для возбуждения ЯМР-сигнала. Радиочастотное поле становится мощнее и, возбуждая токи в проводящих материалах, может нагреть ткани.
На уровне 7 тесла стандартные методики, безопасные при 1,5 тесла, могут представлять опасность. Возникает необходимость контролировать удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии, чтобы избежать перегрева тканей. При дальнейшем увеличении напряженности поля частоты достигают уровня микроволн.
Для некоторых исследований не нужно супер-высокое разрешение — они прекрасно проводятся и на оборудовании в 1,5 тесла. Но есть исследования, которые на такой мощности проводить невероятно сложно. Например, сейчас ученые, исследующие эпилепсию, пытаются понять, как магнитно-резонансная томография может помочь в локализации эпилептических очагов и выявлении функциональных нарушений. Аппараты мощностью 1,5 тесла для этих целей подходят плохо. Томографы на 3 тесла дают более-менее приемлемые результаты, однако надежды возлагаются на оборудование с еще более высокими магнитными полями. В таких случаях переход к сверхвысокопольным томографам очень важен.
А есть много рутинных задач. Например, определить, присутствует опухоль или нет, есть признаки гематомы после инсульта или нет. В таких ситуациях часто важно быстро оценить общую картину. Для этого 1,5 тесла отлично подходит. Переход к высоким полям необходим для более «тонких» задач.
— То есть если повышать мощность, то единственная опасность будет заключаться в нагреве?
— В МРТ есть три негативных фактора, которые могут повлиять на здоровье человека. Первый из них — это радиочастотное излучение. В клинических системах мощность этого излучения строго контролируется, поэтому получить ожог почти невозможно. Аппараты оснащены множеством степеней защиты. Однако чисто теоретически, если исследование проводится некорректно или меры безопасности не соблюдены должным образом, может произойти незначительный нагрев тканей, но вряд ли ожог.
Второй — переключение градиентов магнитного поля. Меняющееся магнитное поле индуцирует электрический ток в проводящих материалах. В теле человека такими материалами являются нервные волокна, особенно периферические нервы в руках и ногах. Быстрое переключение магнитных полей может стимулировать эти нервы, вызывая непроизвольные сокращения мышц. Но этот процесс тоже строго контролируется. Поэтому вероятность подобного эффекта при использовании клинических МРТ-систем крайне низка.
И третья, наименее исследованная история, — это вообще пребывание человека в высоких магнитных полях. Мы привыкли находиться в естественном магнитном поле Земли, поэтому попадание в поле высокой напряженности может вызвать неприятные ощущения. Особенно это проявляется при движении в таком поле. Когда заезжаешь в томограф, может немного кружиться голова. Но до сих пор, насколько мне известно, нет никаких подтвержденных данных о том, что пребывание человека в высоком магнитном поле томографа негативно влияет на здоровье.
Поэтому МРТ разрешена для беременных женщин, пожилых, пациентов в очень критическом состоянии. Это «палочка-выручалочка» в случаях, когда другие методы нежелательны. Например, беременным не подходят рентгеновские исследования. А магнитно-резонансная томография опасности не несет — делают даже МРТ плода.
— А какие есть тренды в области МРТ?
— До сих пор используется низкопольная МРТ, а в последние годы набирает обороты и сверхнизкопольная томография — это десятки миллитесла (в 1 тесла 1000 миллитесла). В МРТ нельзя сканировать людей с магнитными имплантами, например, с ферромагнетиками. Они могут создавать артефакты на изображении, и это не всегда безопасно: если в теле сдвинется какая-то часть импланта или осколок, это может вызвать повреждения. Чем ниже поле, тем меньше сила, которая будет воздействовать на эти импланты, и, кроме того, становятся менее выражены артефакты от металла на изображении.
Сверхнизкие поля сейчас предлагается использовать для создания портативных МРТ-аппаратов, которые можно было бы перемещать по больнице или в полевых условиях для быстрого скрининга заболеваний. Например, такие установки можно использовать для быстрой оценки типа инсульта — ишемического или геморрагического, поскольку точная классификация и дифференциальная диагностика этих состояний крайне важны для начала правильного лечения в первые часы. Сверхнизкопольная МРТ изначально давала картинку с низким разрешением. Но сейчас радиочастотная электроника, методы цифровой обработки сигнала шагнули далеко вперед. Кроме того, появились методы искусственного интеллекта. Поэтому сверхнизкие МРТ-изображения теперь обладают достаточной диагностической значимостью. В США уже зарегистрирован для применения в клиниках один такой аппарат. Аналогичное устройство разрабатывается в ИТМО.
Второй важный тренд, который продолжается уже много лет, — наоборот, переход к высоким и сверхвысоким магнитным полям. Эти поля позволяют не только получать изображения с более высоким разрешением, но и проводить МРТ на других ядрах, помимо водорода. Фтор, натрий, фосфор и углерод-13 (С13) генерируют ЯМР-сигнал и содержатся в нашем организме. Эти ядра могут быть использованы для МРТ, однако из-за их низкого содержания в теле человека и меньшего гиромагнитного отношения (отношение магнитного момента частицы к ее моменту импульса) по сравнению с водородом, сигнал, получаемый от таких ядер, значительно слабее. Однако, как я уже говорила, чем выше мощность поля, тем сильнее сигнал.
Это открывает большие возможности для картирования метаболитов — продуктов метаболизма каких-либо соединений. Пациенту могут ввести углерод-13 через напиток или инъекцию. Это вещество применимо для адресной доставки лекарств и способно прикрепляться к определенным молекулам в организме, что позволяет маркировать и визуализировать определенные участки, например патологические зоны.
— Есть ли другие важные тенденции?
Еще одно направление — визуализация легких. Поскольку легкие состоят преимущественно из воздуха, и в них практически нет воды, МРТ-аппаратам нечего там «смотреть». Но можно использовать МРТ с другим ядром, например с ксеноном — инертным газом, который можно вдохнуть. Этот газ заполняет легкие, что позволяет создать изображение со структурой органа и патологическими изменениями. Однако это требует применения технологий гиперполяризации ксенона, что связано с использованием лазерных установок. Эти системы достаточно сложные и дорогие.
«Хайп» уже утих, но тем не менее использование искусственного интеллекта в МРТ — очень перспективная область. ИИ позволяет добывать диагностическую информацию из больших данных, а также оптимизировать процессы получения МРТ-изображений, улучшая их качество и ускоряя реконструкцию. Технология может помочь врачам в области МР-морфометрии [метод анализа снимков МРТ], автоматически выполняя измерения на изображениях. Однако нужно разрабатывать надежные метрики качества и системы контроля. Пока довериться искусственному интеллекту мы вряд ли сможем. Но потихоньку это внедряется: у некоторых вендоров те или иные классические методы уже заменены на искусственный интеллект.
Развивается количественная МРТ. Обычная, то есть качественная, МРТ подразумевает, что врач оценивает изображение визуально, основываясь на опыте и сравнении контраста. Он знает, что здесь ткани должны быть светлее, здесь темнее, и если в определенной области светлее, то это уже патология. Уровень сигнала на обычных МРТ-изображениях не воспроизводим. Он может меняться в зависимости от множества факторов, таких как настройки катушки или настройка томографа. Поэтому невозможно напрямую сравнивать уровень сигнала на снимках, полученных в разные дни или с разными настройками. Но есть много количественных методик, которые позволяют картировать на снимках различные параметры, такие как времена ЯМР-релаксации, диффузия, перфузия, процентное содержание жировой ткани и другие важные показатели, которые могут дать представление о функционировании органов. За изменениями этих количественных параметров можно наблюдать в динамике, используя их как диагностические маркеры.
Есть такое интересное направление, как МР-спектроскопия, когда вместо создания картинок получают спектры от определенных участков тела. Это позволяет контролировать соотношение веществ в тех или иных областях. Например, часто это используют для диагностики и дифференциальной диагностики опухолей, потому что у некоторых опухолей могут быть уникальные соотношения метаболитов. Опять же, чем выше поля, тем точнее. Поэтому думаю, с приходом более высоких полей будет развиваться МР-спектроскопия как метод неинвазивной биопсии.
— Известно, что МРТ-аппараты очень дорогие. Можно ли удешевить их?
— Стоимость МРТ-аппаратов, прежде всего, связана со сверхпроводящими магнитами, если говорить о высоких полях. Они требуют постоянного охлаждения, для чего используется жидкий гелий. Сами проводники тоже не дешевые. Потенциальное открытие высокотемпературной сверхпроводимости с использованием более доступных металлов могло бы сделать эти магниты дешевле. В низких полях используются более доступные магниты. Поэтому развитие низкопольной магнитно-резонансной томографии также может способствовать снижению стоимости исследований.
Можно делать более надежные радиочастотные катушки, потому что они часто выходят из строя. Поставщики, как правило, заменяют их целиком, даже если повреждения можно было бы устранить. Если бы катушки были более надежными, необходимость в этом отпала бы. Но это сложный вопрос, потому что, если они будут надежнее, скорее всего, станут и дороже.
Ускорение процедуры МРТ также способствует снижению ее стоимости, поскольку большее количество пациентов смогут проходить через один аппарат. Разработка более быстрых протоколов и методик позволяет ускорить получение изображений, что в конечном итоге делает процедуру более доступной.
— Как МРТ может применяться, помимо медицины? Например, в науке.
— Медицинское применение всегда направлено на дифференциальную диагностику патологических состояний. В науке МРТ используется для того, чтобы больше узнать о функционировании нашего организма. Например, функциональная МРТ направлена на исследование процессов мышления и не только. МР-спектроскопия позволяет узнать о метаболизме. Эти исследования могут дать медицинский эффект, но в основном они фундаментальные и дают нам представление о том, как работает наше тело.
Еще одно применение — визуализация растений, например, для определения спелости фруктов или исследования внутренней структуры. Похожие на МРТ методики могут использоваться при добыче полезных ископаемых. Например, методы МР-спектроскопии применяются для определения состава нефти и исследования месторождений. Классический МРТ-аппарат не используется, это просто схожие подходы.
Конечно, МРТ применяется в ветеринарии, это очень популярное направление. Существуют даже ветеринарные МРТ-аппараты, они поменьше. Но в целом животных смотрят и в «человеческих» аппаратах. В интернете можно найти фотографии жирафов в МРТ, правда, не знаю, насколько эти снимки правдивы. Лошадей и других крупных животных тоже изучают с помощью магнитно-резонансной томографии. Видимо, все зависит от платежеспособности хозяев.
— Каким вы видите будущее МРТ, ее перспективы? Может, ее что-то заменит или она станет более дешевой и портативной?
— МРТ вряд ли можно будет заменить на какую-то другую технологию. Будущее за тем, чтобы делать ее быстрее, с большим разрешением и искать новые методы функционального картирования. В будущем мы сможем точнее прогнозировать развитие патологических процессов на ранних стадиях, используя больше количественных методов. Это позволит оценивать, какие тактики лечения лучше использовать.
Кроме того, есть интересное развивающееся направление — радиогеномика, когда по характерным паттернам на МРТ-изображениях, например, опухолей, их могут связать с генетическими факторами и прогнозом течения заболевания.
Выявление скрытых особенностей на МРТ-изображениях и их связь с исходами заболеваний и терапевтическими стратегиями, иными словами, работа с большими данными, которые не видны невооруженным глазом, может сильно расширить возможности МРТ. Однако важно подходить к этому процессу с осторожностью.
Автор: Екатерина Шемякинская.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
