Диффузионно-взвешенные изображения в очень слабом магнитном поле

УДК 539.143.43 Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 3 (61). 2016. Вып. 1

С. В. Иевлева, Н. В. Лужецкая, К. В. Тютюкин, В. В. Фролов

ДИФФУЗИОННО-ВЗВЕШЕННЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ОЧЕНЬ СЛАБОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ*

Санкт-Петербургский государственный университет,

Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7—9

Диффузионно-взвешенные изображения (DWI) — это новая эффективная версия магнитно-резонансной томографии. Техника DWI позволяет построить карту распределения скоростей молекулярной диффузии (как правило, молекул воды) в биологических образцах. Особенности диффузии молекул воды могут отображать состояние биологических тканей. Широко распространённым объектом исследований становится магнитно-резонансная томография в очень слабом магнитном поле. В статье представлены результаты эксперимента по получению магнитно-резонансных диффузионно-взвешенных изображений. Исследование выполнялось на лабораторном ЯМР-минитомографе, созданном на кафедре ядерно-физических методов исследований СПбГУ. Для реализации импульсной последовательности разработана программа в среде LabVIEW. Библиогр. 13 назв. Ил. 5.

Ключевые слова: магнитно-резонансная томография, диффузионно-взвешенные изображения, слабое магнитное поле.

S. V. Ievleva, N. V. Luzhetckaia, K. V. Tyutyukin, V. V. Frolov

DIFFUSION WEIGHTED NMR IMAGING AT VERY LOW MAGNETIC FIELD

St. Petersburg State University, 7—9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

The special feature of magnetic resonance imaging (MRI) is a possibility to visualize various characteristics of the investigated object. Among others a peculiar interest is represented by mapping of spatial distribution of self-diffusion coefficient. Diffusion-weighted imaging (DWI) is rather new effective versions of MRI. The technique of DWI allows us to construct a map of molecular diffusion rates (as a rule, water molecules) in biological samples. The features of water molecules diffusion can reflect a state of biological tissues. Magnetic resonance imaging in very low field also more and more becomes widespread subject of research. In this paper the results of experiment on obtaining DWI at magnetic field 7 mT are presented, using the laboratory homebuilt nuclear magnetic resonance imager in department of Nuclear-Physical Research Methods. For realization of the imaging pulse sequence the special program was created in the LabVIEW environment. Refs 13. Figs 5.

Keywords: magnetic resonance imaging, diffusion-weighted imaging, low magnetic field.

Введение. Магнитно-резонансная томография (МРТ) начала своё развитие в последней четверти XX в. и в настоящее время стала неотъемлемым методом медицинской диагностики. Возможность её успешного клинического применения обусловлена, главным образом, высоким содержанием воды в человеческом организме, так как именно протоны молекул воды являются источником интенсивного сигнала ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Кроме того, специфической особенностью метода является воз-

* По материалам 12-й Зимней молодёжной школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения. Spinus-2015», 15—21 ноября 2015 г., СПбГУ, Санкт-Петербург, Россия, URL: http://nmr.phys.spbu.ru/spinus.

Школа-конференция проведена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 15-32-10480) и OOO «Брукер».

© Санкт-Петербургский государственный университет, 2016

можность изменения контраста изображения путём выбора условий эксперимента без введения в организм медицинских препаратов. Визуальная дифференциация структур объекта осуществляется на основе зависимости интенсивности сигнала ЯМР от таких параметров, как время релаксации, химический сдвиг, локальные неоднородности магнитного поля, межмолекулярные взаимодействия, коэффициент самодиффузии. Изображение, которое получено методом, усиливающим влияние какого либо параметра, называют взвешенным по этому параметру [1]. Наиболее распространенным методом является взвешивание по времени релаксации, хотя ряд фирм предусматривает также возможность получения диффузионно-взвешенных изображений, нередко несущих ценную дополнительную информацию, в частности, о состоянии нервных тканей [2].

Настоящее сообщение посвящено получению диффузионно-взвешенных изображений (ДВИ) в очень слабом магнитном поле — 7 мТл (в МРТ принято считать поле ниже 0,5 Тл слабым). Эксперименты по ЯМР в слабом поле сопряжены с трудностями, связанными с низкой чувствительностью, однако имеется и ряд преимуществ, а именно: экономическая и практическая целесообразность проведения экспериментов по разработке новых методик и тестированию импульсных последовательностей, высокая мобильность аппаратуры благодаря малым габаритам, а также более широкие возможности модификации томографа (аппаратной и программной), обычно недоступные пользователям фирменных сильнопольных приборов. Кроме того, появление новых технологий позволяет повысить чувствительность ЯМР в слабых полях, так что интерес к исследованиям в слабом поле в настоящее время достаточно высок [3-8].

Экспериментальный метод. Методы, позволяющие зарегистрировать наличие диффузионного движения молекул жидкости, основаны на эффекте ослабления сигнала ЯМР при наличии неоднородного магнитного поля. Используются импульсы магнитного поля, линейно зависящего от координат («градиентные импульсы»). За время действия таких импульсов частота, а следовательно, и фаза прецессии ядерной намагниченности в отдельных вокселах становится зависящей от их положения, что и приводит к ослаблению сигнала от объекта. Если молекулы жидкости в исследуемом объекте неподвижны, то разброс фаз может быть ликвидирован включением такого же градиентного импульса противоположной полярности (или той же полярности, если в промежутке между градиентными импульсами включить радиочастотный инвертирующий импульс). Однако при наличии диффузии за время между импульсами и во время импульсов молекулы меняют свое положение, компенсации разброса фаз не происходит, что и приводит к уменьшению сигнала ЯМР.

Существует несколько способов получения диффузионно-взвешенного изображения. Все они используют стандартную импульсную последовательность для получения магнитно-резонансного изображения МРИ (см., например, [1, 9]), в которую добавлены градиентные импульсы, обусловливающие чувствительность к самодиффузии. На рис. 1 и 2 представлены диаграммы импульсных последовательностей для получения ДВИ на основе градиентного эха и радиочастотного эха Хана соответственно. Каждый из методов имеет свои ограничения. Ослабление сигнала ЯМР в упомянутых выше импульсных последовательностях происходит не только из-за диффузии, но и за счёт времени спин-спиновой релаксации Т2 и всегда существующей аппаратурной неоднородности постоянного поля, обычно характеризующейся постоянной затухания сигнала свободной индукции Т2. Если преобладающим является затухание сигнала из-за спин-спиновой релаксации, то целесообразно использовать последовательность с биполярными диффузионными градиентами (см. рис. 1), если же преобладающим является влияние неоднородности, то следует применить радиочастотное эхо (см. рис. 2). Ослабление

Вестник СПбГУ. Сер. 4. Физика. Химия. Т. 3(61). 2016. Вып. 1

77

в.

о

о

т

в,

90°

о п ,

<А> ! 8 г о

г Алл »

90° т 180° т _

Рис. 1. Диаграмма импульсной последовательности для получения диффузионно-взве-шенных изображений методом градиентного спинового эха

Рис. 2. Диаграмма импульсной последовательности для получения диффузионно-взве-г шенных изображений методом радиоча-

стотного спинового эха

сигнала ЯМР за счёт самодиффузии определяется коэффициентом [10]:

кАШ = ехр(-у2О252(Д - 5/3)П),

где у — гиромагнитное отношение ядер, на которых наблюдается резонанс (в данном исследовании — протонов); О — амплитуда импульсов диффузионного градиента; П — коэффициент самодиффузии; интервалы времени 5 и Д показаны на рисунках.

В нашем исследовании эксперимент выполнялся на лабораторном ЯМР-минитомо-графе с индукцией магнитного поля 7 мТл, созданном на кафедре ядерно-физических методов исследования СПбГУ [11, 12]. В качестве модельных соединений были использованы вода и ацетон, для которых время спин-спиновой релаксации значительно превосходит время затухания из-за неоднородности статического поля томографа (Т2[ « 50 мс), поэтому для получения ДВИ использовалась импульсная последовательность с радиочастотным эхом. Интервал между 90- и 180-градусным импульсами т = 50 мс, длительность 90-градусного радиочастотного импульса — 45 мкс, амплитуда импульса диффузионного градиента О « 2,5 мкТл/мм. Амплитуда и длительность ча-стотнокодирующего градиента и амплитуда градиента, во время которого производится

8

78

Вестник СПбГУ. Сер. 4. Физика. Химия. Т. 3(61). 2016. Вып. 1

приём данных, подбирались так, чтобы момент максимума градиентного эха совпадал с радиочастотным эхом.

Реализация импульсной последовательности, представленной на рис. 2, и организация приёма данных с выхода квадратурного детектора осуществлялись с помощью управляющей программы, созданной в среде LabVIEW, и интерфейсной платы фирмы National Instruments NI-PCI-6229. Для обработки данных, цифровой фильтрации и построения изображений создана программа в среде Mathcad. Для аподизации использовалось окно Хэммин-га [13].

Экспериментальные результаты. В качестве модели («фантома») для томографического исследования использовался контейнер прямоугольного сечения 26 х 11 мм2 с водой, в который был помещён цилиндрический контейнер с ацетоном диаметром 8 мм (рис. 3). Ввиду того, что объект был однороден в вертикальном направлении, получались двумерные изображения в плоскости xy без селекции слоя, которые представлены на рис. 4. Для большей наглядности те же изображения представлены в рельефной форме на рис. 5.

Заключение. В представленной публикации описаны методы визуальной дифференциации областей объекта с различными скоростями самодиффузии с помощью МРТ. Продемонстрирована возможность усиления контраста на магнитно-резонансных

Рис. 3. Внешний вид образца:

внутренний контейнер — ацетон, внешний — вода

а б

Рис. 4- Двумерные изображения: • «1 Ф

а — без диффузионно-взве-

шенного контрастирования;

б — с контрастированием

Рис. 5. Изображение в рельефной форме без диффузионно-взвешенного контрастирования

Вестник СПбГУ. Сер. 4- Физика. Химия. Т. 3(61).

изображениях между областями объекта, различающимися коэффициентами самодиффузии в условиях очень слабого магнитного поля.

Литература

1. Богачёв Ю. В., Князев М. Н., Марченко Я. Ю. и др. Диагностический магнитный резонанс. СПб., 2013. 240 с.

2. Johansen-Berg H., Behrens T. E. J. Diffusion MRI: From quantitative measurement to in-vivo neuroanatomy. Academic Press, 2009. 576 p.

3. BlumichB., Casanova F, AppeltS. NMR at low magnetic fields // CPL 2009. Vol. 477, iss. 4-6. P. 231-240.

4. HoriM., OkuboT., AokiS. et al. Line scan diffusion tensor MRI at low magnetic field strength: Feasibility study of cervical spondylotic myelopathy in an early clinical stage // JMRI 2006. Vol. 23, iss. 2. P. 183-188.

5. Meriles C. A., Sakellariou D., Trabesinger A. H. Theory of MRI in the presence of zero to low magnetic fields and tensor imaging field gradients // JMR 2006. Vol. 182, iss. 1. P. 106-114.

6. Bidinosti C. P., Choukeife J., Tastevin G. et al. MRI of the lung using hyperpolarized 3He at very low magnetic field (3 mT) // MAGMA 2004. Vol. 16, iss. 6. P. 255-258.

7. Coffey A. M., TruongM.L., Chekmenev E. Y. Low-field MRI can be more sensitive than high-field MRI // JMR 2013. Vol. 237. P. 169-174.

8. Robinson J. N., Coy A., DykstraR. et al. Two-dimensional NMR spectroscopy in Earth's magnetic field // JMR 2006. Vol. 182. P. 343-347.

9. Bernstein M. A., King K. F., ZhouX. J. Handbook of MRI pulse sequences. Academic Press, 2004. 1040 p.

10. Чижик В. И. Квантовая радиофизика: магнитный резонанс и его приложения. СПб., 2009. 700 с.

11. Иевлева С. В., Лужецкая Н. В., Тютюкин К. В., Фролов В. В. Получение диффузионно-взве-шенных изображений в очень слабом магнитном поле // Материалы 12 зимней молодёжной школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения». СПб., 2015. C. 172.

12. Ievleva S., Luzhetckaia N. Diffusion weighted NMR imaging at 7 mT // Abstr. conf. «Science and Progress». St. Petersburg, 2015. P. 151.

13. Эрнст Р., Боденхаузен Дж., ВокауунА. ЯМР в одном и двух измерениях. М., 1990. 711 с.

References

1. Bogachev Iu.V., Kniazev M.N., Marchenko Ia. Iu. et al. Diagnosticheskii magnitnyi rezonans [Diagnostic magnetic resonance]. St. Petersburg, 2013. 240 p.

2. Johansen-Berg H., Behrens T.E.J. Diffusion MRI: From quantitative measurement to in-vivo neuroanatomy. Academic Press, 2009. 576 p.

3. Blümich B., Casanova F., Appelt S. NMR at low magnetic fields. CPL, 2009, vol. 477, iss. 4-6, pp. 231-240.

4. Hori M., Okubo T., Aoki S. et al. Line scan diffusion tensor MRI at low magnetic field strength: Feasibility study of cervical spondylotic myelopathy in an early clinical stage. JMRI, 2006, vol. 23, iss. 2, pp. 183-188.

5. Meriles C. A., Sakellariou D., Trabesinger A. H. Theory of MRI in the presence of zero to low magnetic fields and tensor imaging field gradients. JMR, 2006, vol. 182, iss. 1, pp. 106-114.

6. Bidinosti,C. P., Choukeife J., Tastevin G. et al. MRI of the lung using hyperpolarized 3He at very low magnetic field (3 mT). MAGMA, 2004, vol. 16, iss. 6, pp. 255-258.

7. Coffey A.M., Truong M. L., Chekmenev E. Y. Low-field MRI can be more sensitive than high-field MRI. JMR, 2013, vol. 237, pp. 169-174.

8. Robinson J.N., Coy A., Dykstra R. et al. Two-dimensional NMR spectroscopy in Earth's magnetic field. JMR, 2006, vol. 182, pp. 343-347.

9. Bernstein M.A., King K. F., Zhou X.J. Handbook of MRI pulse sequences. Academic Press, 2004. 1040 p.

10. Chizhik V. I. Kvantovaia radiofizika: magnitnyi rezonans i ego prilozheniia [Quantum radiophysics: magnetic resonance and its applications]. St. Petersburg, 2009. 700 p.

11. Ievleva S. V., Luzhetskaia N.V., Tiutiukin K. V., Frolov V.V. Poluchenie diffuzionno-vzveshennykh izobrazhenii v ochen' slabom magnitnom pole [Obtaining the diffusive weighed images in very low magnetic

field]. Materialy 12 zimnei molodezhnoi shkoly-konferentsii "Magnitnyi rezonans i ego prilozheniia" [Proc.

80

Вестник СПбГУ. Сер. 4. Физика. Химия. Т. 3(61). 2016. Вып. 1

12 winter youth school conference "Magnetic Resonance and Its Applications"]. St. Petersburg, 2015, pp. 172.

12. Ievleva S., Luzhetckaia N. Diffusion weighted NMR imaging at 7 mT. Abstr. conf. "Science and Progres", St. Petersburg, 2015, pp. 151.

13. Ernst R. R., Bodenhausen G., Wokaun A. Principles of NMR in one and two dimensions. London, New York, Oxford University Press, 1987, 610 p. [Russ. ed.: Ernst R., Bodenkhauzen Dzh., Vokaun A. IaMR v odnom i dvukh izmereniiakh. Moscow, 1990. 711 p.]

Статья поступила в редакцию 30 ноября 2015 г.

Контактная информация

Иевлева Светлана Вячеславовна — студентка; e-mail: ievlevasvetlanka@mail.ru Лужецкая Надежда Владимировна — студентка; e-mail: jennet24@mail.ru Тютюкин Константин Викторович — кандидат физико-математических наук; e-mail: kos101@mail.ru

Фролов Вячеслав Вячеславович — кандидат физико-математических наук, доцент; e-mail: vfrolovv@bk.ru

Ievleva Svetlana Vyacheslavovna — student; e-mail: ievlevasvetlanka@mail.ru Luzhetckaia Nadezhda Vladimirovna — student; e-mail: jennet24@mail.ru Tyutyukin Konstantin Victorovich — PhD; e-mail: kos101@mail.ru

Frolov Viatcheslav Viatcheslavovich — PhD, Associate Professor; e-mail:vfrolovv@bk.ru

Вестник СПбГУ. Сер. 4. Физика. Химия. Т. 3(61). 2016. Вып. 1 81