ИСТИНА

Проект посвящен разработке современных диагностических технологий в доклинической и клинической медицине в области пульмональной магнитно-резонансной томографии (МРТ). Важность выбранного направления исследований обусловлена тем, что применяемые на сегодняшний день методы диагностики заболеваний в легких используют вредное ионизирующее излучение. Напротив, методы МРТ являются безопасными для организма и могут применяться не только для обследования мягких тканей, но и для диагностики состояния легких. При этом важно получать не только структурные изображения легких, но и изображения, представляющие функциональную информацию об их состоянии – вентилируемости, перфузии легочных тканей и газообмена. Структурные изображения могут быть получены с помощью протонной (1H) МРТ, а функциональные изображения - с помощью фторной (19F) МРТ. Эти методики пока не вошли в клинику, но их перспективность очевидна. В данном проекте мы определим наиболее эффективную методику диагностики заболеваний в легких, а также разработаем новые методы получения функциональной информации об их состоянии.

Respiratory system pathologies are the leading cause of death and disability worldwide. The outbreak of coronavirus infection (COVID-19), which also affects the lungs, only aggravate the situation. The most common method in clinical practice for diagnosing pathologies of the respiratory system is the computed tomography (CT). However, CT uses harmful ionizing radiation, and its use in pediatrics, as well as in cases where systematic monitoring of the course of the disease and its treatment is required, is not desirable. Therefore, it seems expedient to search for new methods for the diagnosis of lung diseases. For these purposes, we propose to use the methods of magnetic resonance imaging (MRI), which are safe for the organism. Progress in pulmonary MRI is primarily associated with an assessment of the functional state of the lungs, using specific inhalation mixtures containing inert gases - hyperpolarized (HP) or fluorinated gases. Recently, the use of HP gases for the diagnosis of lung pathologies is impossible, since the production of the HP state of the gas, as well as the delivery of such HP gas to the patient, is too laborious and expensive procedure. However the use of fluorinated gases for these purposes is affordable and promising. Up to day, in pulmonary MRI two fluorinated gases are often used – sulfur hexafluoride (SF6) and perfluoropropane (C3F8). These gases contain a sufficient number of magnetically equivalent fluorine-19 (19F) atoms to be detected by 19F MRI. However, characteristics of these gases are not ideal for lung imaging - relaxation times are too short, which makes the 19F MRI to be possible only when using ultrafast pulse sequences, and sometimes even impossible, for example, when working in weak magnetic fields. We propose to use the gas octafluorocyclobutane (OFCB, C4F8) for lung imaging, since it is more sensitive to 19F MRI. Using OFCB in this project as inhalation gas, we plan to develop new 19F MRI methods aimed at assessing the functional state of the lungs - its ventilation and perfusion. Up to day, proton (1H) MRI is also very promising and being developed for the diagnosis of lung diseases. The most famous methods are: dynamic contrast-enhanced MRI, Fourier decomposition, oxygen-enhanced MRI and phase-resolved functional lung imaging. In this project, we will test each of these methods and choose the most effective among them. Modern scan methods, improving technologies and demonstrating the effective capabilities of MRI open up great prospects for the medical diagnosis of lung diseases. The main advantage of MRI is safety, which means that if it becomes possible to successfully diagnose by MRI at least a few lung pathologies (for example, fibrosis and pneumonia), it will significantly improve the medical diagnosis of respiratory diseases. MRI techniques can also become an indispensable tool in monitoring the progression of coronavirus infection.

В результате выполнения проекта на доклиническом и клиническом МР томографах будут апробированы существующие передовые методы в области пульмональной 1Н и 19F МРТ, а также новые оригинальные методы, направленные на выявление функционального состояния легких - их перфузии и вентилируемости. Для реализации ожидаемых результатов прежде всего будет проведена работа по сопоставлению контрастных свойств фторированных газов, применяемых в 19F МРТ исследованиях легких in vivo. Наиболее эффективный из них будет использоваться в дальнейших 19F МРТ исследованиях легких добровольцев и малых лабораторных животных, интактных и с патологиями в легких. Также будет разработана специальная установка по доставке газовой смеси пациенту и ее сбору. Это особенно важно, поскольку фторированные газы являются парниковыми. По окончанию проекта мы сформулируем основные требования к медицинским МР томографам для реализации на них адаптированных и разработанных методов диагностики состояния легких и сопоставим полученные результаты с данными КТ, учитывая информативность изображений и их разрешающую способность.

За время своей научной деятельности представленный в данной заявке коллектив исполнителей активно развивает различные направления в мультиядерной МР томографии и спектроскопии. Это стало возможным благодаря наличию в МГУ двух МР томографов с открытым программным обеспечением – медицинского клинического 0.5 Тл МР томографа (главный оператор-исследователь Анисимов НВ) и научно-исследовательского 7 Тл МР томографа (главный оператор-исследователь Гуляев МВ). Особенно активно на данных МР томографах проводились и проводятся исследования на ядрах фтора-19 (начиная с 2014 года). Результаты проведенных исследований отражены в более, чем 20 публикациях в высокорейтинговых зарубежных и российских журналах первого и второго квартилей цитирования. Среди них можно выделить наши работы, в которых была показана высокая эффективность использования газа октафторциклобутан (ОФЦБ) для 19F МРТ легких. Особо следует отметить работу [Pavlova OS, Anisimov NV, Gervits LL et al. 19F MRI of human lungs at 0.5 Tesla using octafluorocyclobutane. Magn Reson Med. 2020;84:2117-2123. https://doi.org/10.1002/mrm.28270], в которой мы впервые продемонстрировали возможность визуализации легких человека при использовании ОФЦБ в качестве контраста на 0.5-Тл МР томографе.

Диагностика состояния легких представляет собой важную медицинскую задачу, особенно в контексте респираторных заболеваний, таких как COVID-19. Стандартные методы диагностики легких (КТ, флюорография, ПЭТ) используют ионизирующее излучение, что ограничивает их частое применение. В свою очередь, метод МРТ, базирующийся на радиофизических принципах, безопасен для организма. Однако, из-за низкой спиновой плотности, низких Т2* и различий в магнитных свойствах ткань/воздух, визуализация легких в МРТ вызывает сложности. Применение импульсных последовательностей (ИП) с радиальным сканированием (3D UTE) помогает преодолеть эти трудности. Для ИП 3D UTE показано, что для получения качественных 1H и 19F МРТ изображений легких минимально необходимые TE составляют 18 мкс и 100 мкс, соответственно. В работе реализована методика ретроспективного стробирования. Методика применена на интактных крысах и на крысах с острым воспалением легких в результате внутритрахеального введения липополисахарида (ЛПС) в дозе 10 мг/кг, легочной гипертензией (ЛГ) - после подкожного введения монокроталина (МКТ) в дозе 60 мг/кг , воспалением/фиброзом в легких - за счет внутритрахеального введения блеомицина (БМЦ) в дозе 7.5 мг/кг. Методом ретроспективного стробирования определено, что изменение объема легких в процессе дыхания у интактных животных составляет ~27.5 ± 2.5%, коэффициент вариации ~0.16 ± 0.03, доля объема с высоким уровнем сигнала ~7.5% ± 1.0%. При этом, процент поражения в легких спустя ~30 дней после инициирования ЛГ составляет ~32%, а относительный дыхательный объем (ОДО) легких уменьшается более чем в ~2 раза. Для интактных крыс данный параметр уменьшается в ~1.2 раза. При небольшом поражении легких (~2-6%) ОДО снижается в ~1.3-1.8 раза, соответственно. Для оценки функционального состояния легких предложено рассчитывать карты частичной вентиляции легких (FV-карты). Показано, что распределение значений FV в легких интактных крыс - нормальное с модой, соответствующей FV~0.26, а в области поражения FV~0.1. Найденное отклонение может служить диагностическим параметром при исследовании легких. На частоте ядер 19F измерены релаксационные параметры (T1,T2) для газов SF6, C3F8 и C4F8, и проведено сравнение их контрастных свойств. Показано, что SF6 обладает очень короткими T1~T2~2 мс, что затрудняет его применение в 19F МРТ, а для C3F8 и C4F8, T1~T2~20 мс и ~56 мс, соответственно. Далее в работе для метода 19F МРТ применяли газ C4F8 (ОФЦБ) - отечественный хладон R318C. Исследования по T2*-и SD (спиновая плотность)-картированию легких методами 1H и 19F МРТ показали, что для интактных крыс и для крыс с острым воспалением легких, T2* в легких ~0.60–0.69 мс, а SD ~0.41-0.46 отн. ед. Разработанные методики по T2*-и SD-картированию легких могут применяться для определения плотности поражения в легких. В свою очередь, в 19F МРТ значения T2* и SD отражают степень вентилируемости легких. На интактных крысах и на крысах с патологиями в легких применена методика совместных 1H и 19F МРТ исследований. Для выявления областей поражения в легких их размеры должны превышать размеры вокселей ~0.1 мм^3 и ~3.8 мм^3 в 1H и 19F МРТ, соответственно. В работе применены такие методики, как OE «МРТ с контрастированием кислородом», DCE «МРТ с динамическим контрастированием» и методика T1-картирования методом VFA (варьируемый угол отклонения) с коррекцией РЧ поля B1+ методом DFA (метод двойного угла). Применение этих методик оказалось малоинформативным для оценки состояния легких, вероятно, из-за низкой чувствительности данных методов. Проведены исследования по применению препарата Фламена® (дигидрокверцетин в липосомах) для смягчения развития фиброза в легких крыс. Гистологические данные показали, что фиброз менее выражен у животных, принимавших препарат Фламена®. С целью ускорения постобработки полученных МРТ изображений легких разработана программа для автоматической сегментации легких и патологий в них. Программа работает на основе двух отдельных нейронных сетей U-net 3+. Сначала первая сеть U-net 3+ сегментирует легкие, затем координаты выделенной маски используются для обработки второй сетью U-net 3+ для выявления патологий в легких. Алгоритм обеспечивает получение точных масок легких и эффективно различает патологии в легких. Качество локализации высокое, сеть точно выделяет края легких и отличает срезы без легких. На клинических МР томографах ИП UTE не всегда представлена, поэтому для диагностики состояния легких применяют стандартные ИП GE или SE. Это снижает возможности пульмональной МРТ, однако, для получения функциональной информации о состоянии легких человека их применение оказывается достаточным. На 0.5 Тл МР томографе проведены исследования легких 4-рех добровольцев, один из которых переболел COVID-19. Реализован метод функциональной оценки состояния легких, основанный на методе PREFUL. Достигнуто временное разрешение в ~140 мс при паузе в 200 мс (~340 мс на один кадр, всего получали 200 изображений) при разрешении в ~5×5 мм^2. Построены карты частичной вентиляции легких (FV-карты) и карты перфузии (Qn-карты). Согласно литературным данным, FV~0.15-0.3, а Qn ~150-300 мл/мин/100мл, что подтверждается нашими результатами. На основе ИП 2D GE продемонстрирована возможность применения методов 1H МРТ для изучения дыхательного процесса при чтении прозаического и стихотворного текстов онлайн и в покое. Выявлено, что по мере перехода от покоя к чтению стиха средний объем воздуха в легких заметно увеличивается и мало меняется при произнесении речи. На частоте ядер 19F измерены T1 и T2 для газов SF6, C3F8 и C4F8 и проведено сравнение их контрастных свойств. Показано, что максимально возможные значения SNR достигаются для газа ОФЦБ, для которого в поле 0.5 Тл T1~T2~50 мс. Построены Т1-карты и V/Q-карты (отношение вентиляции к перфузии) для двух здоровых добровольцев. На основе оптимизированных ИП GE и SE реализован метод получения совместных 1Н и 19F МРТ изображений легких человека, отражающих нарушения как анатомической структуры легких, так и их вентиляции. Апробирована методика wash-in/wash-out (вдох/выдох). Предложен и реализован новый метод функциональной оценки состояния легких методом 19F МРТ, названный нами single-breath. Идея метода заключается в получении серии изображений, соответствующих динамике накопления/вымывания газа в легких в течение одного дыхательного цикла. Отработку представленных методик проводили на 1.5 Тл МР томографе. Достигнуто временное разрешение в ~400 мс при разрешении в ~3.5×3.5 мм^2. Показано, что для построения FV- и Qn-карт необходимо получать не менее 600 МРТ изображений за ~4 мин. Исследовано применение трех различных алгоритмов обработки сырых данных для метода PREFUL - по фазовой сортировке, по поиску локальных экстремумов и сортировке по интенсивности сигнала. Сопоставлена работа алгоритмов. Для построения карт перфузии (Qn-карт) применение данных алгоритмов нельзя охарактеризовать как безусловно подходящими. Поэтому в работе предложен усовершенствованный алгоритм, основанный на поиске локальных экстремумов и последующей сортировке по их интенсивности. Основное внимание уделено улучшению методики "сжатия" легких для стандартизации их положения. Применительно к построению FV-карт, улучшен алгоритм фазовой сортировки. Предложено использовать длину легких в качестве параметра, по которому проводится сортировка изображений по фазе дыхательного цикла. На 1.5 Тл МР томографе модифицирована его РЧ часть для работы на частоте ядер 19F: перестроены резонансные частоты РЧ катушек; протестированы узлы РЧ связи, оптимизировано программное обеспечение. Показано, что 19F сигнал ЯМР является достаточным для его последующей оцифровки и не требует проведения дополнительного усиления. Определены оптимальные рабочие параметры мощности передатчика для различных длительностей (τ) РЧ импульсов. Адаптирована работа ИП SE для работы на частоты ядер 19F, обеспечивая значения SNR ~10 за 4 с. Однако, использование ИП GE дает более высокие значения SNR - в ≈2 раза выше. В связи с этим, в исследованиях in vivo предлагается использовать ИП GE. Впервые в РФ на 1.5 Тл МР томографе получены 19F МРТ изображения легких человека с газом ОФЦБ. Для этого была разработана система доставки дыхательной смеси, представляющая собой замкнутый дыхательный контур. С помощью разработанной системы доставки газов проведены 19F МРТ исследования легких человека с применением методик wash-in/wash-out и single-breath. Показано, что характер распределения значений FV для обоих методов выглядит сопоставимым – наблюдается одна мода, а распределение значений FV близко к нормальному. Методики являются взаимозаменяемыми и могут применяться для оценки вентилируемости легких.