СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРГАНОВ ГРУДНОЙ И/ИЛИ БРЮШНОЙ ПОЛОСТИ МЕТОДОМ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
TECHNIQUE FOR EXAMINATION OF THORACIC AND ABDOMINAL ORGANS BY MAGNETIC RESONANCE IMAGING (MRI) PROCEDURE

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике методом магнитно-резонансной томографии (МРТ), который в настоящее время используется для неинвазивного исследования анатомических структур человека, что необходимо для медицинской диагностики. Наибольший эффект от применения изобретения предполагается получить при МРТ-исследованиях органов грудной и/или брюшной полости, поскольку такие исследования затруднены из-за вовлеченности этих органов в движение, связанное с дыханием.
Метод МРТ достаточно давно применяется для исследования органов брюшной полости, поскольку в сочетании с данными ультразвукового исследования и рентгеновской компьютерной томографии дает важную диагностическую информацию - см., например, Zerhouni E.A. et al (1992) In: Stark D.D., Bradley Jr WG Magnetic Resonance Imaging, 2 nd edition, Mosby: 1429-1480; Bonnet Met al (1994) Proceedings, 2 nd Melting, SMR: 1473.
Обычные методы МРТ-сканирования, хорошо зарекомендовавшие себя при исследовании головного мозга, позвоночника, суставов и др. неподвижных органов, недостаточно подходят для исследования органов грудной и брюшной полости, поскольку последние вовлечены в движения, связанные с дыханием и работой сердца. За время обычного МРТ-сканирования, составляющее минуту и более, происходят многократные периодические смещения органов брюшной полости из-за этих движений, что, в конечном итоге, вызывает искажения на МРТ-изображениях. Поэтому при исследовании органов брюшной полости методом МРТ применяются специальные приемы, направленные на устранение этих искажений. Среди этих приемов можно выделить: сканирование с задержкой дыхания, быстрое сканирование без задержки дыхания, сканирование произвольной продолжительности без задержки дыхания с использованием схемы синхронизации. Рассмотрим эти приемы подробнее.
Известен способ исследования органов грудной и/или брюшной полости методом МРТ (см. Mansfield, P. 1977 Multi-planar image formation using NMR spin echoes. J.Phys. C: Solid State Phys. 10: L55-58), включающий получение изображения исследуемого органа с использованием сверхбыстрых сканирующих импульсных последовательностей, способных давать МРТ-изображения за время порядка 0.1 секунды - on-line или real-time imaging. Поскольку это время намного короче периода дыхания (порядка 1 с), то смещение исследуемого органа за время сканирования оказывается незначительным. Достоинством метода является возможность получения изображений, отображающих каждую отдельную фазу дыхания - покадровая съемка (cine-imaging). Однако короткое время сканирования ограничивает возможности накопления сигнала и проведения достаточно детального анализа зоны исследования, поэтому такие последовательности не всегда могут обеспечить высокое пространственное разрешение на МР-изображении и хорошее отношение сигнала к шуму. Для получения высокого отношения сигнала к шуму такие последовательности следует применять на достаточно чувствительных высокопольных томографах (1.5-3 Тесла), однако и там проведение сверхбыстрого сканирования требует учета большого количества аппаратурных факторов, вызывающих специфические искажения МР-изображений.
Известен также способ исследования органов грудной и/или брюшной полости методом МРТ (см. патент РФ №2197176, МПК А61В 5/055, опубл. 27.01.2003), включающий получение изображения исследуемого органа путем синхронизации процесса сканирования исследуемого органа с задержкой дыхания пациента. Т.е. сканирование проводят во время кратковременной (20-30 с) задержки дыхания. Во время этой задержки запускается сканирующая импульсная последовательность, способная обеспечить нужное качество МР-изображения. В этом способе предлагается последовательность STAGE, но это непринципиально, поскольку импульсные последовательности постоянно совершенствуются, благодаря развитию электронного оборудования и программного обеспечения. Важно лишь, чтобы время сканирования для выбранной импульсной последовательности, при котором обеспечивается приемлемое качество изображения, не превысило времени задержки дыхания. Пациент задерживает дыхание по команде (обычно с помощью микрофона и канала громкоговорящей связи) оператора, который управляет запуском сканирования.
Успешность реализации такого способа зависит от состояния пациента и взаимной согласованности действий оператора и пациента, что не всегда удается достичь на практике. Поэтому большой интерес представляют методики сканирования, не требующие подобного взаимодействия.
Для детального МРТ-исследования необходимо сканирование с многократным накоплением сигнала, требующее длительного времени. Вышеупомянутые способы МРТ-сканирования недостаточно подходят для решения этой задачи.
Известен также наиболее близкий по технической сути к предлагаемому способ исследования органов грудной и/или брюшной полости методом магнитно-резонансной томографии (Ehman, R.L. et al. 1984. Magnetic resonance imaging with respiratory gating - techniques and advantages. Am. J. Radiol. 143: 1175-1182), включающий получение изображения исследуемого органа путем синхронизации процесса сканирования исследуемого органа с фазами дыхания пациента с помощью томографа, имеющего в своем составе программатор сканирующей импульсной последовательности, у которого имеется вход для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала в соответствии с определенной фазой дыхания. Цель способа - проводить длительное сканирование для одной и той же фазы дыхания. Дыхание отслеживается с помощью респираторного датчика, что дает возможность синхронизации сканирования по сигналу от этого датчика.
Способ реализуется с помощью МРТ-томографа, в состав которого входит программатор сканирующей импульсной последовательности, который управляет электронными узлами, вырабатывающими радиочастотные импульсы и импульсы неоднородного магнитного поля (градиентные импульсы), причем у программатора должен быть вход для подачи сигнала, прерывающего процесс сканирования до тех пор, пока не будет достигнута определенная фаза дыхания.
Для синхронизации процесса сканирования с фазами дыхания на пациента надевают респираторный пояс с датчиком, который выдает сигнал, пропорциональный набранному объему воздуха. Анализируя изменение этого сигнала по монитору, оператор определяет пороговый уровень, т.е. тот уровень сигнала, по которому должна срабатывать схема сравнения, выдающая сигнал для запуска триггера, выход которого подключен ко входу программатора, предназначенному для подачи сигнала, прерывающего процесс сканирования. Определенному оператором уровню сигнала соответствует определенная фаза дыхания, которую предстоит отслеживать. При каждом совпадении уровня сигнала от датчика и порогового уровня, заданного оператором, срабатывает триггер, который выдает на вход для подачи сигнала, прерывающего процесс сканирования, импульс, выводящий программатор из режима ожидания. Поскольку отслеживаются мгновенные значения фазы дыхания, то импульс должен быть много короче периода между отдельными вдохами. Длительность импульса на выходе триггера определяется оператором. Таким образом, сканирование производится при каждом вдохе равномерного дыхания, но на короткое время.
Недостатком такого способа является длительность, т.к. требуется частая остановка сканирования для того, чтобы динамически отслеживаемая дыхательная фаза достаточно близко соответствовала заданной. Данный способ нельзя приспособить для сканирования во время наиболее устойчивой статической фиксации фазы дыхания - при задержке дыхания. Более того, метод хорошо работает лишь для тех фаз дыхания, которые являются переходными между наиболее длительными и воспроизводимыми состояниями - полным вдохом и полным выдохом. Это связано с тем, что этим состояниям соответствуют экстремумы отслеживаемого сигнала, а попытка отслеживать экстремум, подбирая уровень порогового напряжения, приводит к пропускам или к ложным срабатываниям триггера из-за неизбежного дрейфа уровня сигнала респираторного датчика.
Кроме того, обычный респираторный датчик чувствителен не только к дыхательным движениям грудной клетки, но и к другим непроизвольным движениям пациента. Последний фактор приводит к тому, что отдельные запуски сканирования оказываются связанными не с заданной фазой дыхания, а с ложными срабатываниями порогового триггера из-за скачков респираторного сигнала.
Таким образом, для получения качественного МРТ-изображения грудной/брюшной полости вышеописанным способом требуется не только синхронизация сканирования с фазой дыхания, но и способность пациента находиться в неподвижном состоянии в течение всего цикла сканирования. Такое состояние является для пациента дискомфортным, что повышает вероятность получения «смазанных» малоинформативных изображений.
В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования способа исследовании органов грудной и/или брюшной полости методом МРТ, при котором за счет осуществления самим пациентом дистанционного управления сигналом на входе для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала синхронно с производимой самим пациентом задержкой дыхания обеспечиваются такие новые технические эффекты:
А) возможность рационализации использования времени МРТ-исследования за счет введения режима, при котором отдельные этапы сканирования производятся во время задержек дыхания, что позволяет сократить общее время сканирования по сравнению с режимами, в которых применяется равномерное дыхание, причем моменты и длительности задержек дыхания определяются самим пациентом;
Б) исключение ложных (не связанных с фиксацией заданной фазы дыхания) запусков отдельных этапов сканирования из-за дрейфа постоянной составляющей сигнала от респираторного датчика и непроизвольных движений пациента, что в конечном итоге способствует улучшению качества получаемого МРТ-изображения.
Для решения этой задачи в способе исследовании органов грудной и/или брюшной полости методом магнитно-резонансной томографии, включающем получение изображения исследуемого органа путем синхронизации процесса сканирования исследуемого органа с задержкой дыхания пациента с помощью томографа, имеющего в своем составе программатор сканирующей импульсной последовательности, у которого имеется вход для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала в соответствии с определенной фазой дыхания, согласно изобретению синхронизацию процесса сканирования исследуемого органа с фазами дыхания пациента осуществляют путем дистанционного управления сигналом непосредственно самим пациентом, который самостоятельно, фиксируя фазу дыхания (вдох или выдох), с помощью кнопочного выключателя, которым снабжают программатор, включает, а по окончании фиксации выключает сканирование, при этом процесс сканирования разбивают на отдельные этапы, соответствующие определенной дыхательной фазе, а суммарное время задержек дыхания определяется временем, необходимым для полной отработки алгоритма сканирования, заложенного в программаторе; дистанционную связь кнопочного выключателя со входом программатора, предназначенного для подачи сигнала прерывания процесса сканирования, осуществляют путем коммутации электрического сигнала, подведенного к входу программатора с помощью экранированного или двухпроводного кабеля. Или дистанционную связь кнопочного выключателя со входом программатора, предназначенного для подачи сигналов прерывания процесса сканирования, осуществляют путем коммутации пневматического или светового сигнала с использованием соответствующих кабелей и преобразователей сигнал/напряжение, подключенных ко входу программатора. Или дистанционную связь кнопочного выключателя со входом программатора, предназначенного для подачи сигналов прерывания процесса сканирования, осуществляют с помощью сопряженного с кнопочным выключателем радиопередатчика, а перед осуществлением пациентом синхронизации процесса сканирования с фазами дыхания с ним проводят инструктаж по использованию кнопочного выключателя.
Причинно-следственная связь между признаками предлагаемой совокупности и отмеченными выше техническими эффектами заключается в следующем:
1) процесс сканирования разбивается на отдельные этапы, соответствующие определенной дыхательной фазе, но в отличие от прототипа, где эти этапы должны быть много короче интервалов между вдохами при свободном дыхании, в предлагаемом способе длительность этапов определяется временем задержки дыхания, что позволяет увеличить продолжительность отдельных этапов сканирования и в итоге сократить время исследования. В то же время общая длительность сканирующей последовательности может быть произвольной, т.е. не зависит от того, как долго пациент может задерживать дыхание;
2) пациент сам контролирует свое состояние, он имеет возможность прервать сканирование в ситуациях, при которых его непроизвольные движения (из-за кашля, движений из-за «затекания» суставов и т.п.) могут вызвать искажения на МР-изображениях. Удобством для пациента является возможность выбора момента задержки дыхания и ее продолжительности;
3) оператору нет необходимости вмешиваться в процесс сканирования, поэтому облегчаются условия его работы и снимается проблема согласованности действий оператора и пациента.
Пример реализации предлагаемого способа.
Предлагаемый способ исследования органов грудной и/или брюшной полости методом МРТ проиллюстрирован на чертежах, где на фиг.1 представлено устройство для его реализации, на фиг.2 представлены МР-изображения четырех последовательных коронарных срезов брюшной полости, полученные методом градиентного эха: сверху - без применения синхронизации; снизу - с применением предлагаемого способа синхронизации.
В составе МРТ-томографа имеется программатор 1 сканирующей импульсной последовательности, который управляет электронными узлами 2, вырабатывающими радиочастотные импульсы и импульсы неоднородного магнитного поля (градиентные импульсы). У программатора имеется вход 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала в соответствии с определенной фазой дыхания (вдох или выдох).
В предлагаемом способе сигналом прерывания управляет пациент с помощью кнопочного выключателя 4, которым снабжают программатор 1.
Работа устройства для исследования органов грудной и/или брюшной полости методом магнитно-резонансной томографии происходит следующим образом. Для получения изображения исследуемого органа путем синхронизации процесса сканирования исследуемого органа с фазами дыхания пациента применяют томограф, имеющий в своем составе программатор 1, управляющий электронными узлами 2 томографа согласно алгоритму сканирующей импульсной последовательности. У программатора должен быть вход 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала в соответствии с определенной фазой дыхания (вдох или выдох).
Обычно применяемые для синхронизации по дыханию узлы - респираторный пояс, датчик, монитор для оператора, а также триггер (не показаны) в предлагаемом способе не задействованы и могут быть отключены. Однако если респираторный пояс не создает дискомфорта для пациента, то его, а также датчик и монитор, желательно оставить для контроля за состоянием его дыхания. Для реализации предлагаемого способа важно, чтобы сигнал от триггера не оказывал влияния на работу программатора. Поэтому конструкция программатора должна предусматривать либо возможность отстыковки кабеля с сигналом триггера от входа 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала и подключение кабеля от кнопочного выключателя 4, либо на вход 3, предназначенного для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, могут быть подключены два кабеля, сигналы от которых могут коммутироваться с помощью электронной схемы. На фиг.1 представлен вариант использования входа 3, предназначенного для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, когда на этот вход поступает только кабель от кнопочного выключателя.
Синхронизацию процесса сканирования исследуемого органа с фазами дыхания пациента осуществляют путем дистанционного управления сигналом, прерывающим процесс сканирования, непосредственно самим пациентом, который самостоятельно, фиксируя фазу дыхания (вдох или выдох), с помощью кнопочного выключателя 4, которым предварительно снабжают программатор 1, имеющий вход 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, включает, а по окончании фиксации выключает сканирование, при этом процесс сканирования разбивают на отдельные локальные этапы, соответствующие определенной дыхательной фазе, а суммарное время задержек дыхания определяется временем, необходимым для полной отработки алгоритма сканирования, заложенного в программаторе 1, при этом дистанционную связь кнопочного выключателя 4 со входом 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала осуществляют путем коммутации электрического сигнала, подведенного ко входу программатора 1, например с помощью экранированного или двухпроводного кабеля 5, или дистанционную связь кнопочного выключателя 4 со входом 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала осуществляют путем коммутации пневматического или светового сигнала с использованием соответствующих кабелей и преобразователей сигнал/напряжение (не показаны), подключенных ко входу программатора 1, или дистанционную связь кнопочного выключателя 4 со входом 3 для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала осуществляют с помощью сопряженного с кнопочным выключателем радиопередатчика (не показан), сигнал от которого поступает на приемник, преобразующий радиосигнал в напряжение, управляющее программатором 1 (не показан). Причем перед осуществлением пациентом синхронизации процесса сканирования с фазами дыхания с ним проводят инструктаж по использованию кнопочного выключателя 4.
На практике сначала проводится предварительное сканирование обычным рутинным способом (без синхронизации и задержки дыхания) с целью определения зоны исследования. Определив протокол требуемого режима сканирования, оператор передает предварительно проинструктированному пациенту кнопочный выключатель 4 для ручного управления процессом сканирования. Если необходимо, то он отключает выход триггера от входа 3, предназначенного для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, программатора 1 и подключает кабель 5, соединенный с кнопочным переключателем. В современных томографах (например, Tomikon S50 (Bruker)) подобные переключения могут осуществляться и программным путем внутри блока, выполняющего функции входа 3, предназначенного для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, который, как правило, является многоканальным.
После этого оператор запускает сканирование, но оно реально не начинается до тех пор, пока пациент не нажмет на кнопочный выключатель 4 устройства. Но прежде чем это сделать, пациент набирает воздух, задерживает дыхание и только тогда нажимает кнопочный выключатель 4 и держит его нажатым. После отработки задержки дыхания пациент отпускает кнопочный выключатель 4. Кнопочный выключатель 4 присоединен к двум концам кабеля 5, другие концы которого (сигнальный и «земляной») присоединены ко входу 3, предназначенный для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала. Программатор 1 настраивают так, чтобы отработка алгоритма сканирования была возможна только при нулевом напряжении на вход 3, предназначенного для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала. При отжатом состоянии кнопочного выключателя 4 на сигнальном конце входа 3, предназначенного для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, имеется положительное напряжение за счет передачи потенциала от внутреннего источника тока, имеющегося в программаторе 1, через резистор 6. Нажимая кнопочный выключатель 4, пациент «закорачивает» вход 3, предназначенный для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, на «землю», и на входе 3, предназначенном для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, создается нулевое напряжение, необходимое для того, чтобы для программатора 1 снять запрет на отработку алгоритма сканирования.
Поэтому при нажатом кнопочном выключателе 4 (при задержке дыхания) производится сканирование, а при отпущенном (при обычном дыхании) - программатор 1 находится в режиме ожидания. После задержки дыхания через некоторое время (порядка нескольких десятков секунд в зависимости от индивидуальных особенностей пациента) у пациента возникает потребность обновить воздух в легких. Тогда он с помощью этого же кнопочного выключателя 4 приостанавливает сканирование, делает необходимое число восстановительных дыхательных движений - «делает передышку», после чего вновь задерживает дыхание и запускает следующий этап сканирования.
Процесс повторяют до тех пор, пока программатор 1 не отработает заложенный в него алгоритм, т.е. не закончится сканирование для всех срезов исследуемой зоны. В результате сканирование разбивается на этапы, в течение которых пациент находится в одной и той же дыхательной фазе.
На фиг.2 представлены МР-изображения четырех последовательных коронарных срезов брюшной полости, полученные методом градиентного эха: сверху - без применения синхронизации; снизу - с применением предлагаемого способа синхронизации. В то время как на верхних изображениях видны искажения, связанные с дыханием, то на нижних изображениях эти искажения отсутствуют. Таким образом, применение предлагаемого метода синхронизации позволяет повысить информативность МР-изображений при исследованиях брюшной полости.
Чтобы сопоставить эффективность сканирования с обычно применяемым способом синхронизации и предлагаемым способом, надо сравнить соответствующие временные графики как для дыхательного процесса, так и для сигнала, разрешающего сканирование.
График дыхательного процесса при свободном дыхании представляет собой периодическую (примерно через 1-2 с) последовательность горбообразных импульсов. Сигнал, разрешающий сканирование при обычном способе синхронизации, представляет собой последовательность коротких отрицательных импульсов, начало которых связано с заданной фазой дыхания, а длительность (порядка 0.1 с) определяется требованиями по фиксации этой фазы - чем короче импульс по сравнению с интервалом между вдохами, тем точнее фиксация.
При использовании предлагаемого способа синхронизации график дыхания представляет собой сочетание периодически (в течение примерно 1 мин) следующих горбообразных импульсов (обычное дыхание) и участков (длительностью порядка 10-30 с) постоянного уровня (задержанное дыхание). На вход 3, предназначенный для подачи прерывающего процесс сканирования сигнала, поступают формируемые кнопочным выключателем 4 импульсы, длительность которых соответствует времени задержки дыхания.
Исходя из типичных временных интервалов, характеризующих дыхательные процессы, можно сопоставить эффективность обычно применяемого и предлагаемого способов синхронизации дыхания и процесса сканирования при исследовании органов грудной и/или брюшной полости методом МРТ. Если выбранный оператором алгоритм сканирования требует в общей сложности 2 минуты (120 с) «чистого времени», то при использовании обычного метода синхронизации все сканирование придется разбить на (120/0.1)=1200 этапов. А поскольку период повторения дыхательных фаз составляет примерно 1 с, то всего на отработку алгоритма сканирования будет затрачено (1200×1)с=20 мин.
По предлагаемому способу, если даже задать паузу для задержки дыхания 10 с, то все сканирование придется разбить всего лишь на (120/10)=12 этапов. А поскольку между каждым этапом надо выдержать паузу 1 мин, то всего на отработку алгоритма сканирования будет затрачено (12×1)мин=12 мин. Это заметно меньше, чем при использовании обычного метода синхронизации.
Заметим, что для предлагаемого способа можно сократить общее время сканирования как за счет увеличения времени задержки дыхания, так и сокращения пауз между ними. При этом оба приема не влияют явным образом на степень фиксации фазы дыхания. В то же время для обычного способа синхронизации сократить время сканирования можно лишь за счет увеличения длительности локального этапа сканирования, поскольку период дыхательного ритма пациента фиксирован. Но такое увеличение приводит к «размыванию» фазы дыхания во время локального этапа сканирования и, соответственно, к снижению информативности МР-изображений.
Таким образом, предлагаемый способ синхронизации проще в технической реализации, чем обычно применяемый. При этом он дает более благоприятные возможности для рационального распределения времени сканирования, создает условия для устранения искажений на МР-изображениях, связанных с непроизвольными движениями пациента. Все это позволяет повысить эффективность и информативность МРТ-исследований.