МРТ 10,5Т расширяет границы медицинской визуализации

Сотрудники Центра исследования МРТ Университета Миннесоты, США, вошли в историю, первыми в феврале этого года проведя полное сканирование человеческого тела на МРТ 10,5Т производства Siemens Healthineers.

Ученые надеются, что этот аппарат с 110-тонным магнитом даст им лучшее представление о функционировании головного мозга, а также о целом ряде заболеваний, таких как болезни сердца, диабет и рак.

Наше издание связалось с командой из Университета Миннесоты и задало им несколько вопросов о проекте. Ответы, полученные по электронной почте, пришли от Камилы Угурбила, директора CMRR и от доцентов университета Грега Метцгера и Грегора Адриани.

Откуда у Университета Миннесоты появилась МРТ 10,5Т установка?

Проект по изучению МРТ 10,5Т в центре CMRR получил грант в размере 8 миллионов долларов, направленный на разработку новейших медицинских технологий. Также мы получили финансовую поддержку от Университета Миннесоты для приобретения магнита и строительства помещения для МР сканера.

Грант предназначался для изучения новых возможностей МРТ технологии при помощи МРТ и спектроскопической установки с интенсивностью магнитного поля 10,5Т, имеющей широкий тоннель (83 см в просвете), с помощью которой будут проводиться исследования на человеческом организме. Этот первый в мире МР аппарат с полем такой высокой интенсивности.

Какие требования по экранированию предъявляются к такому сильному магниту?

Есть два способа снизить силу краевого поля, связанного с использованием магнита сверхвысокой мощности, до приемлемого  уровня (~5 Гауссов). Для этого можно либо задействовать большой магнит, чтобы уравновесить магнитное поле (активное экранирование), либо окружить источник массивной железной оболочкой (пассивное экранирование). Для нашей 10,5Т установки единственным вариантом было пассивное экранирование, на создание которого ушло 600 тонн железа.

Активное экранирование сделало бы магнит слишком большим и тяжелым, так как оно интегрируется с тем же самым криостатом (сверхохлажденная часть магнита), что и обмотки, создающие поле 10,5Т для визуализации.

Железный экран снижает магнитное 10,5Т магнита до примерно 5 Гауссов по периметру  (приблизительно 7  метров от оболочки). Без этого граница магнитной индукции в 5 Гауссов проходила бы на гораздо большем расстоянии от оболочки, слишком далеко для имеющегося пространства в CMRR, учитывая наличие другого оборудования в центре.

Как вы готовились к началу сканирования первого человека?

Были проведены масштабные доклинические исследования, чтобы изучить влияние сверхсильных магнитных полей на вестибулярные, когнитивные и физиологические функции.  Эти данные были поданы в FDA вместе с заявкой, чтобы получить разрешение на проведение первичных исследований безопасности на уникальной системе.

Дело в том, что, по нормативам FDA, магниты с полями силой выше 8 Тесла не считаются устройствами, представляющими незначительный риск. Только после завершения исследований безопасности и получения положительного заключения FDA будет получено расширенное разрешение на проведение конкретных исследований возможностей системы.

Как выбирали первого пациента?

Первые исследования  проводились на здоровых людях из контрольной группы, которые прошли строгий отбор, согласно процедуре, согласованной с FDA  и медицинской комиссией. Претенденты должны были заполнить опросные листы о своем здоровье, на основании которых врач по определенным критериям исключал кандидатов с хроническими заболеваниями. Кроме того, субъекты не должны иметь каких-либо металлических имплантатов и соответствовать требованиям по возрасту и весу.

Для пассивного экранирования МРТ установки 10,5Т потребовалось 600 тонн железа.

Какие исследования были произведены и как вы можете описать качество изображения по сравнению с обычным 3Т сканированием?

Пока исследования проводились только на туловище человека. Эта общая анатомическая область была выбрана из-за ее способности более быстро подтверждать эффективность радиочастотных катушек, которые тело заставляет работать на полную мощность. Наши катушки для тела состоят из элементов, одновременно передающих и получающих радиочастотную энергию (трансиверы). Каждый элемент плотно прилегает к телу, благодаря своей гибкой оболочке. Для визуализации головы невозможно создать аналогичную оболочку, и элементы катушки могут отстоять от головы на различном расстоянии, осложняя проверку эффективности радиочастотных катушек.

Проведенные обследования включали визуализацию простаты и двустороннюю визуализацию тазобедренного сустава. Мы смогли получить изображения очень высокого качества для обеих мишеней.

Визуализация с использованием систем 10,5Т стала достижением, к которому ученые шли почти целое десятилетие.

Радиочастотные катушки и методы радиочастотного шиммирования, используемые для управления полями излучения энергии, работали особенно хорошо и позволили нам получить высококачественные изображения градиентного эха во всех случаях, а подавление сигнала от жировой ткани было возможным практически по всему полю обзора, благодаря повышенной дисперсии химического сдвига при 10,5Т, несмотря на повышенные неоднородности В0. При визуализации предстательной железы мы смогли получить многосрезовые Т2-взвешенные изображения, используя метод быстрой спин-эхо последовательности. При визуализации скелетно-мышечной системы мы получили изотропные версии стандартных 3D изображений с высоким разрешением 0,7 мм, хотя оптимизация параметров для получения желаемой контрастности требует дополнительного изучения.

Нужно было разрабатывать специальные радиочастотные катушки и градиенты для этой системы?

Для градиентов мы используем высокопроизводительные, но стандартные клинические градиенты тела (Siemens, SC 72). Также существуют более производительные коммерческие градиенты головы (АС84), которые можно применять с нашей системой. Но, чтобы еще больше повысить максимальное пространственное и временное разрешение сканера, превышающее возможности данного градиента, мы разрабатываем инновационный вставной элемент в сотрудничестве со Стэнфордским Университетом.

Для всех вариантов применения нашей системы мы разрабатываем специальные UHF RF катушки, работающие на частоте 447 MHz при 10,5Т. Что касается радиочастотных катушек, путь к максимизации возможностей сканера лежит через увеличение количества принимающих каналов до 128 и количества независимых передающих каналов до 32.

Есть какие-либо конкретные показания и болезни, при которых, по вашему мнению, система 10,5Т незаменима и которые оправдывают появление такого мощного магнита в клинических условиях?

Повышение статического поля до 10,5Т имеет множество потенциальных преимуществ. Во-первых, было продемонстрировано, что чувствительность, измеренная как соотношение сигнал/шум, имеет супралинейную зависимость от силы поля. Хотя необходимо учитывать различные эффекты сканирования и релаксации частиц, присущие конкретным анатомическим структурам, основополагающим является именно этот показатель, выделяющий машину 10,5Т из ряда обычных установок с полями меньшей интенсивности.

Другие преимущества включают в себя усиление контрастности на основании чувствительности к полям, что важно для улучшения анатомической и функциональной визуализации; увеличение дисперсии химического сдвига – для улучшения спектроскопического количественного анализа; перевод обмена на более быстрые режимы – для улучшения результатов обследований по методу переноса насыщения в химическом обмене; а также –  большая линейная зависимость для улучшения артериальной спин-меченой перфузии и времяпролетной ангиографии.

Одной из первоначальных мотиваций к началу разработки сканера 10,5Т было желание иметь возможность визуализации функциональных структур в головном мозге с более высоким пространственным разрешением и четкостью. Если цели удастся добиться, это даст беспрецедентную возможность доступа к маленьким структурам (менее миллиметра), таким как кортикальные слои и к так называемым колонкам кортекса. После более глубокой разработки вспомогательных технологий, использующих силу 10,5Т полей, (а это то, чем мы занимаемся сейчас), мы надеемся получить функциональные изображения, охватывающие диапазон от элементарных вычислительных единиц до сканирования всего головного мозга.

Что для вас стало самым удивительным аспектом за время работы над проектом МРТ 10,5Т?

Пожалуй, то, что система 10,5Т вскоре позволит нам добиться более высокой чувствительности (т.е. соотношения сигнал/шум), и то, что многие технологии, которые мы разрабатывали с 7Т, с некоторыми модификациями применимы на 10,5Т.

Ранее мы провели много фундаментальных исследований, направленных на понимание радиочастотных взаимодействий полей  с человеческим телом на высоких частотах. Полученные выводы можно распространить на 10,5Т и, возможно, даже на магнитные поля с более высокой интенсивностью. Сейчас, когда до реализации надежд, возлагаемых на эту систему, остается совсем немного, самым удивительным аспектом представляется тот факт, что от первоначального замысла до проведения первых исследований на человеке прошло так много времени – около десятилетия научных разработок.

Гас Иверсен

Поделиться