БЕРКЛИ, Калифорния - Александр Пайнс и его коллеги открыли замечательный новый способ повышения универсальности и чувствительности магнитно-резонансной томографии (МРТ) и технологии, на которой она основана, ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Пайнс, один из первых исследователей ЯМР, является старшим научным сотрудником факультета отдела материаловедения Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и профессором химии Гленна Т. Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли. Последние подробности новой техники, известной как дистанционное обнаружение, сообщают Пайнс, научный сотрудник Сун-И Хань и докторант Джульетта А. Сили в «Журнале магнитного резонанса».
Дистанционное обнаружение зависит от физического разделения двух основных этапов ЯМР, кодирования сигнала и обнаружения, которые обычно выполняются в одном и том же приборе, чтобы настроить каждый этап для достижения наилучших результатов. Используя газ ксенон, поляризованный лазером, в качестве среды для «запоминания» закодированной информации и переноса ее на удаленную точку обнаружения, Пайнс и его группа добились улучшения разрешения изображения МРТ на несколько порядков, а также многократного увеличения чувствительности ЯМР. «ЯМР-кодирование является исключительным средством для извлечения химической, биологической и физической информации из образцов, включая живые организмы, без их разрушения», - говорит Пайнс, отмечая, что МРТ, тесно связанная технология, одинаково хорошо подходит для неразрушающего изображения внутренностей вещей. «Проблема этой универсальной техники - низкая чувствительность».
«Однако, - говорит Хан, - разделяя этапы кодирования и обнаружения ЯМР/МРТ, мы можем получить данные о физических, химических и биологических свойствах образцов, которые мы просто не могли получить раньше».
Концептуальная основа и возможность дистанционного обнаружения были ранее установлены в лаборатории Пайнса Адамом Муле, Меган Спенс, Кимберли Пирс и Сунил Саксена, в дополнение к Хану и Сили. Группа сообщила о своих результатах в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences от 5 августа 2003 г..
Саксена, в настоящее время доцент кафедры химии в Университете Питтсбурга, отмечает, что, хотя использование двух отдельных частей прибора «может показаться нелогичным на первый взгляд, во многих случаях использование одной установки в ЯМР приводит к непростой баланс между эффективным кодированием сигнала и чувствительным обнаружением сигнала. Разделив их, можно не только значительно улучшить точность сигнала, но также можно предусмотреть множество новых схем, которые используют гораздо более мощные и чувствительные методы и принципы обнаружения и кодирования ».
Основные шаги:
ЯМР и МРТ работают, потому что многие атомные ядра обладают магнитными моментами, действующими как игрушечные магниты с северным и южным полюсами. В магнитном поле эти вращающиеся ядра ориентируются вдоль силовых линий со спинами вверх или вниз. Для поддержания состояния замедления вращения требуется немного больше энергии.
В фазе кодирования радиочастотный (РЧ) импульс, соответствующий разности энергий между двумя состояниями, сбивает ядра-мишени под наклоном, заставляя их оси вращения прецессировать вокруг силовых линий, как игрушечные гироскопы со смещением от центра. Точная скорость прецессии характерна для каждого химического вида?? вездесущий водород является наиболее часто используемым соединением в ЯМР и МРТ, и на него также влияет химическое и физическое окружение.
Для МРТ дополнительный шаг кодирует дополнительные данные. В дополнение к однородному магнитному полю на короткое время включаются дополнительные магниты для наложения полей, более сильных в одном направлении, чем в другом. Когда ядра-мишени подвергаются радиочастотным импульсам, различия в напряженности поля отражаются в изменении углов и скоростей прецессии. Вместе с синхронизацией импульсов градиентные поля дают каждому вращающемуся ядру уникальный набор координат, соответствующий его положению.
Во время фазы обнаружения измеряется и анализируется суммарный магнитный момент вращающихся ядер для получения информации о химическом окружении. В МРТ измеряется намагниченность каждой партии спинов, образованных серией радиочастотных импульсов, что дает пространственные характеристики образца.
Многие факторы влияют на наилучшие способы кодирования и обнаружения информации о конкретном образце, будь то живой организм, образец ткани на предметном стекле, образец газа, жидкости или минерала или даже твердая поверхность.
Во время кодирования РЧ-катушка должна быть того же размера, что и образец, и часто окружает его; кроме того, основной магнит должен быть достаточно большим, чтобы погружать образец в магнитное поле, которое обычно очень сильное. В больницах, например, оборудование МРТ, достаточно большое для исследования головы или легких, громоздкое и дорогое.
Как для кодирования, так и для обнаружения пропорция ядер-мишеней в образце является еще одним важным фактором. Если выборка большая, но доля ядер-мишеней мала, этот небольшой «фактор заполнения» приводит к слабому сигналу.
Поляризация - разница в количестве ядер со спином вверх и вниз - также имеет жизненно важное значение. Даже в сильном магнитном поле избыток водорода со спином вверх составляет в лучшем случае 1 к 100 000.
Ксенон-129, в отличие от водорода, может быть оптически "гиперполяризован" до того, как он будет введен в образец, где его ядра взаимодействуют с окружающей средой для кодирования информации ЯМР и МРТ. Поскольку ксенон является благородным газом, химически инертным и нетоксичным, он идеально подходит для многих биологических применений. В гиперполяризованном ксеноне около 20 процентов ядер вращаются вверх, «поэтому мы не теряем все эти вращения впустую», - замечает Хан.
Для оптимального кодирования сигнала установка ЯМР/МРТ может включать в себя большую радиочастотную катушку и сильное магнитное поле, в то время как наилучшая установка обнаружения для того же образца может потребовать более чувствительного магнитного поля и меньшая радиочастотная катушка или даже сверхчувствительный детектор, не относящийся к МРТ, например, сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (СКВИД) или лазерный магнитометр.
И наоборот, слабые магнитные поля могут быть преимуществом для кодирования некоторых субъектов, например пациентов с кардиостимуляторами или металлическими имплантатами. Сигналы, закодированные в слабом поле, могут быть восстановлены только детектором сильного поля.
«Дистанционное обнаружение позволяет нам сочетать возможность получения обширной информации о множестве интересных образцов с чувствительным обнаружением», - говорит Сили. «Это возможно, потому что ядерные спины обладают способностью сохранять память о своем предыдущем окружении. Они запоминают информацию, которая была закодирована в среде, не оптимизированной для обнаружения, и позже их можно обнаружить более чувствительно».
Освобождение ЯМР/МРТ, чтобы сделать все возможное:
Саксена описывает успешную первую попытку доказать принцип дистанционного обнаружения: «Мы смогли продемонстрировать довольно фантастическую идею о том, что изображение ячейки образца может быть получено путем насыщения ее газообразным ксеноном в одном спектрометре, а затем перемещение газа - на целых 15 футов - к другому спектрометру для обнаружения сигнала. Несмотря на большое расстояние и время прохождения, ксенон точно запомнил форму ячейки для образца."
Недавно Сили, Хан и Пайнс продемонстрировали дистанционное обнаружение МРТ пористых образцов с более высоким разрешением, снова используя газ ксенон для передачи сигнала на детектор оптимальной конструкции. Ксенон оптически гиперполяризуется, затем вводится в кодирующую камеру, где он протекает через пустоты в образце. Поскольку образец окружен большой радиочастотной катушкой, коэффициент заполнения невелик. Неся закодированную информацию, газ поступает в камеру обнаружения. Поскольку ксенон имеет длительное время спиновой релаксации, во время транспортировки не теряется информация о спиновой поляризации или синхронизации импульсов.
В недавнем эксперименте разные катушки кодирования и обнаружения были расположены рядом друг с другом, но физически разделены, и обе подвергались воздействию практически одного и того же сильного магнитного поля. С катушкой детектора гораздо меньшего размера фактор заполнения был значительно увеличен: катушка окружает только ядра мишени, а не весь образец.
Кодирование и детектирование сигналов ЯМР/МРТ по отдельности делает возможным множество других сложных или невозможных приложений. Например, ксенон можно растворить в химических растворах или в метаболических путях биологических систем, а затем сконцентрировать для более точного обнаружения. Поскольку ксенон обычно не присутствует в биологических или геологических образцах, его сигнал отчетливо выделяется на бесшумном фоне.
Другие носители сигналов также могут использоваться для дистанционного обнаружения, включая гиперполяризованный газообразный гелий для медицинских изображений или жидкую нефть или воду для геологического анализа. Поскольку до детектора доходит только носитель, можно также использовать альтернативные методы обнаружения, несовместимые с образцом, поскольку они могут быть интрузивными или требовать прозрачности, например, оптические методы, которые могут обнаруживать мельчайшие сигналы ЯМР от живых клеток.
Освобождая стадию обнаружения от ограничений камеры для образцов, дистанционное обнаружение освобождает технологию ЯМР/МРТ от ее ограничений и открывает новое царство возможностей - от таких больших целей, как геологические образцы керна и человеческие тела, до микроструктур и одиночные клетки. Никакой другой инструмент спектроскопии или визуализации не обладает таким богатым набором возможностей.
"Дистанционно обнаруженная высокопольная МРТ пористых образцов", Джульетта А. Сили, Сонг-И Хан и Александр Пайнс, можно прочитать в Интернете, перейдя по адресу https://dx.doi.org, введя введите код doi:10.1016/j.jmr.2003.12.018 в поле и нажмите «Перейти».
«Усиление ксенонового ЯМР и МРТ путем дистанционного обнаружения», Адам Дж. Муле, Меган М. Спенс, Сонг-И Хан, Джульетта А. Сили, Кимберли Л. Пирс, Сунил Саксена и Александр Пайнс, появилось в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 5 августа 2003 г.
The Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, штат Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом. Посетите наш веб-сайт по адресу