ИСТИНА

В проекте предлагается выявить фундаментальные основы создания портативного низкопольного МРТ датчика содержания натрия в организме. Индикатором натрия в живых тканях могут служить времена релаксации ядер натрия в замагниченной живой ткани с использованием явления ядерного магнитного резонанса. Корреляция значений времен релаксации с концентрацией натрия будет служить индикатором здорового состояния или степени патологии, возникшей в организме. Установить такую корреляцию предполагается в результате проведения экспериментов на фантомах, близких по характеристикам к живым тканям, и на биопсийных образцах, предоставляемых медицинскими учреждениями. Исследования должны показать различие сигналов от свободного и связанного натрия в молекулярных структурах тканей. Кроме того, предстоит выявить требуемую для корректных измерений степень однородности постоянного магнитного поля, определяющего ларморову частоту прецессии магнитных моментов ядер натрия. В итоге должны быть выработаны рекомендации по режимам измерения содержания натрия с помощью портативных низкопольных МРТ датчиков.

Abnormally high sodium retention occurs in Type 2 Diabetes Mellitus, Kidney Disease Hypertension and Heart Failure. Accurate measurement of sodium concentration in the skin likely reflects overall sodium content within the body and as such would be highly informative for healthcare professionals. Such measurements would provide invaluable optimization of investigation and management of patients with both chronic and acute sodium-related conditions (including T2D, hypertension, heart failure, diarrhoea, dehydration and acute haemorrhage), and would potentially enable versatility of healthcare provision for patients in diverse settings including hospitals, homes, community, roads and even remote locations and battlefields through paramedical support. Currently, Magnetic Resonance Imaging can take these measurements but its application is limited to hospitals through its non-portability, precluding usage at the hospital bed-side, in dialysis units, home and workplace. Can an MRI scanner be placed onto the palm of a hand to become a user-friendly hand-held device so it can transform community healthcare and push the frontiers of physical intervention? We intend to answer this question by obtaining key fundamental sodium magnetic resonance (MR) relaxation parameters at homogeneous and inhomogeneous (with constant field gradients of 4T/m, 8T/m and 18T/m magnetic fields with their field strength matched to the proposed operating field strength of the hand-held sensors (0.5T) and in physiological phantoms with MR properties matched to those of the human skin. These measurements will be used to validate the obtained sodium signals against the calibrated sodium concentration standards in order to access feasibility and future clinical usefulness of hand-held MR devices.

В результате проведенных исследований будут получены новые физические данные, необходимые для обоснования МРТ измерений содержания натрия в живых тканях, позволяющие предоставить медицинским работникам информацию, коррелированную с патологическими проявлениями. Такой датчик будет первым портативным прибором оперативного определения содержания натрия в организме.

В лаборатории магнитной томографии и спектроскопии МГУ имеется 2 МР томографа фирмы Bruker: Tomikon S50 и BioSpec 70/30 USR, которые входят в Центр коллективного пользования «Биоспектротомография» Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (http://www.ckp-rf.ru/ckp/352678/). Данные томографы обладают открытым программным обеспечением, что позволяет модифицировать его и разрабатывать новые методики сканирования. Многочисленные методики, разработанные в коллективе заявителей, представлены не только в журнальных публикациях и докладах на конференциях, но и в монографиях Научным коллективом, представляющим данный проект, уже несколько лет ведутся исследования в области мультиядерных МРТ приложений. В рамках данного направления нам удалось адаптировать 0.5 Тл и 7 Тл МР томографы для визуализации целого ряда ядер: 19F, 2H, 13C, 31P, 11B. Особых успехов удалось достичь в области МР визуализации ядер фтора-19. Нами была показана возможность in vivo МР визуализации различных воспалительных процессов, желудочно-кишечного тракта и легких крыс с помощью специальных фторсодержащих соединений, используемых в 19F МРТ в качестве контрастных агентов. Для этого были разработаны специальные объемные приемные и приемно-передающие катушки, способные настраиваться на частоты ядер фтора и водорода, в полях 0.5 и 7 Тл. В рамках данного проекта особое внимание будет уделено ядрам 23Na. В рамках этой работы уже был изготовлен плоский датчик, настраиваемый на частоту 23Na - 79.57 МГц, при использовании которого была показана принципиальная возможность регистрации 23Na ЯМР сигнала в поле 7 Тл. Таким образом, в области мультиядерной МРТ и, в частности, в области МР визуализации ядер 23Na коллектив располагает надежным научным заделом, который позволяет обеспечить успешное выполнение работы в рамках проекта.

По 1ому этапу проекта: Основной задачей работ по проекту является выявление фундаментальных основ создания портативного низкопольного МРТ датчика содержания натрия в организме. В последнее время к измерению содержания натрия в организме человека проявляется повышенный интерес в связи с желанием найти корреляцию между этим фактором и разнообразными патологическими проявлениями. Планируется, что разрабатываемый портативный датчик будет иметь плоскую конструкцию и регистрировать сигнал лишь от очень тонкого слоя кожи (1-2 мм). Кроме того, работать он будет в сильно неоднородном поле 0.5 Тл. В связи с этим представляет интерес как определение возможностей проведения 23Na МРТ и ЯМР в слабых полях, так и достоверности получаемых с его помощью данных. Для выявления возможностей низкопольной 23Na МРТ и ЯМР на первом этапе выполнения проекта была проведена адаптация 0.5-Тл МРТ сканнера. Ввиду того, что данная модель томографа не предназначена для регистрации сигнала на таких низких частотах (ларморова частота натрия в поле 0.5 Тл составляет 5.6 МГц), на получаемых ЯМР спектрах и МРТ изображениях возникает сильная радиочастотная (РЧ) помеха, затрудняющая их анализ. Для решения этой проблемы был разработан специальный алгоритм постобработки сырых данных, позволяющий убрать эту засветку и получить неискаженные ЯМР спектры и изображения. Также в работе были разработаны РЧ датчики для 23Na МРТ и спектроскопии, предназначенные для исследований человека. Эти катушки были получены путем частотной перестройки протонных. Для оценки их качества были сопоставлены результаты измерений их чувствительности с аналогичными данными, полученными от катушек сходной геометрии, но предназначенных для регистрации протонных сигналов. Показано, что наибольшее значение отношения сигнала к шуму (SNR) достигается для рамочной катушки. Кроме того, был изготовлен РЧ датчик, предназначенный для релаксационных измерений натрия в биопсийных образцах (in vitro) небольших размеров ~1.5×1.5×1.5 см3. Перед выполнением измерений была проведена оптимизация сканирования для получения 23Na МРТ изображений ЯМР спектров человека. Были получены натриевые изображения различных органов человека и показана перспективность спектроскопических исследований для определения корреляции солевых отложений в конечностях с возрастом. Была также проведена адаптация 7-Тл сканнера на регистрацию сигнала натрия. Эта работа является актуальной, поскольку натрий является низкочувствительным ядром для магнитного резонанса, и его исследование в высоких полях может являться эффективным инструментом по определению достоверности получаемых результатов в низких и неоднородных полях. Данный томограф способен регистрировать сигнал от натрия, однако в его комплектации имеется лишь плоская РЧ катушка, которая не подходит для релаксационных измерений. В связи с этим был разработан натриевый датчик на основе соленоидальной катушки и показано, что он формирует однородное возбуждающее магнитное поле и может применяться для измерения времен релаксации. Оба сканнера были оптимизированы для измерения времен релаксации в фантомных образцах и биопсийных материалах. Было разработано программные средство для быстрой регистрации времен релаксации с использованием метода CPMG и проведена его апробация. Также были проведены первичные исследования биопсийного материала (кожи пациентов с диабетом 2го типа и без) методом 23Na МРТ. Эти исследования проводились британскими партнерами по проекту в Ноттингемском университете (Ноттингем, Англия) на 9.4 Тл ЯМР-спектрометре (Ultrashield 400 WB Plus, Bruker, Германия). Показано, что натрий в основном находится в слое дермы. Таким образом, на данном этапе проекта все заявленные задачи были полностью выполнены. По 2-му этапу проекта: Натрий является одним из ключевых элементов в организме. Его повышенное содержание в организме в целом или в отдельных органах и тканях связывают с различными заболеваниями – диабетом, гипертонией, заболеванием почек и сердца и др. Перспективным является измерение концентрации натрия в коже, поскольку оно отражает общее содержание натрия в организме и является информативным показателем здоровья человека. Современные разработки в области магнитно-резонансной томографии на ядрах натрия-23 (23Na МРТ) способны обеспечить такие исследования, однако использование стационарной МРТ диагностики невозможно при нетранспортабельности больного, находящегося на больничной койке, дома, в процессе диализа, на рабочем месте и т.п. Таким образом, разработка портативных МРТ систем, в том числе нацеленных на регистрацию сигнала от натрия-23, представляет важную задачу здравоохранения. В рамках проекта мы попытались ответить на вопрос, возможно ли создать компактный натриевый РЧ датчик, предназначенный для портативных МРТ систем и обеспечивающий необходимую информацию о содержании натрия в организме. Стоит отметить, что высокие магнитные поля для портативных МРТ систем пока недостижимы. Совместно с британскими учеными Ноттингемского университета было предложено разрабатывать подобную МРТ систему в неоднородном слабом магнитном поле 0.5 Тл. Сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР) от натрия-23 намного слабее, чем от ядер водорода-1, при этом его содержание в живых тканях примерно в 2000 раз меньше. В связи с этим обычно натриевые исследования проводят в высоких магнитных полях – от 1.5 Тл в исследованиях человека и от 3 Тл – малых лабораторных животных. В работе, выполняемой в рамках данного проекта, впервые проводились МРТ и ЯМР исследования на ядрах натрия-23 в столь низком магнитном поле. А потому особый интерес представляют вопрос о чувствительности, достоверности и информативности результатов, которые возможно получить в поле 0.5 Тл (в частности, в неоднородном поле). Для обеспечения этих исследований мы полностью оптимизировали две МРТ системы (включая оборудование и протоколы сканирования) для работы на ядрах натрия-23: 7Тл МРТ сканер, предназначенный для исследования малых лабораторных животных, и 0.5Тл клинический МРТ сканер. Натриевые исследования в постоянном магнитном поле 7 Тл проводились для сравнения получаемых результатов с аналогичными данными измерений в слабом магнитном поле 0.5 Тл. Подобное сопоставление данных было необходимо с целью выявления возможностей слабопольных клинических ЯМР и МРТ исследований на ядрах натрия-23 и оценки достоверности получаемых результатов. Для исследования возможностей 23Na МРТ в слабом магнитном поле 0.5 Тл мы провели полную модификацию имеющихся фирменных РЧ датчиков, предназначенных для исследования отдельных органов человека (головы, конечностей, брюшной полости, позвоночного отдела), для регистрации сигнала от ядер натрия-23. Также был разработан специальный алгоритм, который позволяет нейтролизовать засветку на МРТ изображениях, вызванную наличием синхронных РЧ помех. Возникновение таких помех при регистрации сигнала тяжелых ядер является распространенной проблемой и, наиболее вероятно, имеют техногенный характер. Исследование их суточной активности позволило нам избежать сканирования пациента в промежутки времени, когда подобные синхронные помехи возникают на частоте регистрируемого сигнала (от ядер натрия-23). Подобное исследование помеховой активности особенно актуально при работе в слабом магнитном поле, когда необходимо проводить длительное накопление сигнала (~20 мин). В результате проведенной оптимизации мы реализовали метод количественного определения содержания натрия в стопе человека. Стоит отметить, что портативные натриевые системы направлены в большей степени не на томографическое, а спектроскопическое приложение. В нашей работе мы провели релаксационные измерения на ткань-эквивалентных фантомах на основе агарозного геля с различным процентным содержанием в них агарозы и хлорида натрия в поле 0.5 Тл. Это исследование показало, что даже в слабых магнитных полях (в том числе, неоднородных полях) существует возможность измерения времен продольной и поперечной релаксации в тканях, а их значения хорошо коррелируют с содержанием натрия. В результате проведенных исследований была предложена конкретная конструкция РЧ датчика, позволяющего проводить релаксационные измерения тонкого приповерхностного слоя биологических тканей организма человека. Для решения задачи локализации РЧ поля в тонком приповерхностном слое был выбран метод возбуждения собственных колебаний высших порядков плоской резонансной системы. В качестве резонансной системы выбрана совокупность десяти связанных разомкнутых кольцевых резонаторов. Размеры такой резонансной системы составили 54х42 мм2. В ходе проведенного численного моделирования были рассчитаны распределения ближнего магнитного поля катушки на частотах, соответствующих частотам собственных колебаний резонансной системы. Численное моделирование показало, что оптимальным с точки зрения заданных электродинамических параметров катушки для возбуждения и детектирования сигнала ЯМР отклика ядра 23Na из тонкого приповерхностного слоя кожи, является условие возбуждения собственного колебания второго порядка резонансной системы. Для колебания данного типа характерно относительно высокое значение амплитуды магнитного поля в режиме передачи, при этом поле более локализовано в приповерхностной области резонатора по сравнению с колебанием первого порядка. Преимуществом возбуждения колебания второго порядка, также, является условие самосогласования импеданса катушки, при котором значения коэффициента отражения не превышает -25 дБ на рабочей частоте катушки без использования дополнительных согласующих цепей. В дальнейшей нашей работе мы изготовим такой натриевый РЧ датчик и проведем его тестирование в поле 0.5 Тл.