В последние годы стали все чаще устанавливаться MP-томографы с интенсивностью поля 3 Тл для повседневного клинического использования. Теперь по всему миру используется 1000 таких томографов. Создание магнитов с активным экранированием было ключевым шагом при переходе от магнитов, использовавшихся с чисто исследовательскими целями, к магнитам, используемым в клинической практике.
Все главные производители предлагают томографы с интенсивностью поля 3 Тл, большинство которых сходны по размерам и весу со стандартными 1,5-тесловыми магнитами. Площадь ограничений (линия 0,5 мТл, 5-гауссовый предел), в которую запрещено входить лицам с водителями ритма и другими биомедицинскими устройствами, только незначительно больше при 3 Тл, чем на других стандартных томографах.
Это означает, что томографы с высоким магнитным полем могут устанавливаться не только в исследовательских учреждениях, но и в больницах и институтах, занимающихся лечением пациентов.
К настоящему времени наибольший опыт высокопольной визуализации накоплен в нейрорадиологии. Большинство старых томографов не имеет больших катушек для всего тела с гомогенным полем, но оборудовано небольшими передающими и приемными катушками, как правило, катушками для головы.
В последние 5 лет развитие функциональных катушек для всего тела, которые могут продуцировать достаточно гомогенное поле В1, позволило приобрести начальный опыт также в высокопольной МРТ всего тела.
В то время как обнаружились некоторые преимущества исследований с полем высокой интенсивности в некоторых направлениях нейрорадиологии (TOF, MRA, fMRT), значительно меньше опыта накоплено с исследованиями всего тела. Однако многие из фундаментальных проблем, которые возникают при переходе от 1,5 к 3 Тл, не зависят от исследуемой области тела.
В этой статье на сайте рассматриваются некоторые основные вопросы визуализации при 3 Тл и приводится обзор предшествующего опыта при клиническом применении исследований всего тела.
а) Физические эффекты:
1. Вопросы безопасности. Вопросы безопасности при МРТ обсуждались в отдельной статье на сайте - просим Вас пользоваться формой поиска по сайту выше. В целом меры безопасности во время исследований при 3 Тл аналогичны вышеописанным, однако необходимо рассмотреть некоторые особые вопросы безопасности, относящиеся к высокопольной МРТ.
Так как биомедицинские имплантаты могут смещаться, повреждаться и нагреваться в поле 3 Тл, применяются ограничивающие критерии отбора к пациентам с имплантатами длиной более 10 см: должно быть подтверждено, что данный имплантат не представляет опасности в поле силой 3 Тл.
1.1 Биомедицинские имплантаты. Наиболее важной проблемой клинической визуализации в высоких полях является безопасность при наличии у пациента механических имплантатов. По этой проблеме опубликовано мало данных. Мы знаем, что силы, которые действуют на ферромагнитный объект со стороны статического магнитного поля, зависят от силы поля. Они увеличиваются с ростом силы поля и градиентов поля.
Хотя верно, что новые биомедицинские имплантаты, как правило, не имеют ферромагнитных свойств, мы не можем заключить, что имплантаты, тестированные на безопасность при 1,5 Тл, будут безопасными также при 3 Тл. Имеются отдельные сообщения об имплантатах, на которые не оказывала влияния МРТ при 1,5 Тл, но они показывали значительные отклонения при 3 Тл.
Помимо опасности повреждения тканей пациента от смещения имплантата, поле может также повреждать сам имплантат. Эта проблема иллюстрируется на примере клапанов с магнитной регулировкой при гидроцефалии. При имплантатах этого типа сканирование при 1,5 Тл может быть безопасным по результатам последующей проверки его регулировки. Однако есть доказательства того, что действие поля 3 Тл может повредить механизм регулировки клапана.
Потенциальное нагревание имплантатов возбуждающими РЧ-импульсами может быть еще большей проблемой, чем ферромагнитные силы. В поле 3 Тл критическая длина, при которой объект может испытывать эффекты резонанса и подвергаться значительному нагреванию, составляет примерно 10 см. Критическая длина в поле 2 Тл равна примерно 20 см. Это особенно существенно у пациентов с фиксацией переломов интрамедуллярными штифтами и другими устройствами для внутренней фиксации.
Даже если такие имплантаты не имеют ферромагнитных свойств, они могут подвергаться значительному индуктивному нагреванию вследствие их электрической проводимости. Поэтому у пациентов с медицинскими имплантатами длиной более 10 см сканирование при 3 Тл в нашем институте, как правило, запрещается. В настоящее время мы являемся сторонниками ограничений сканирования пациентов с биомедицинскими имплантатами, особенно в случаях, когда не ожидается медицинских преимуществ сканирования при 3 Тл перед сканированием при 1,5 Тл.
2. Соотношение С/Ш. Главным преимуществом высокой силы магнитного поля является улучшение соотношения С/Ш. Теоретически соотношение С/Ш должно удваиваться, когда сила поля удваивается от 1,5 до 1,3 Тл. Однако на практике, как правило, такое удвоение не достигается вследствие различных эффектов, сопровождающих высокие магнитные поля.
Основные эффекты - изменение времени релаксации и увеличение восприимчивости. Тем не менее более высокое соотношение С/Ш вносит вклад в ускорение сбора данных (выигрыш во временном разрешении) или в улучшенное отображение деталей (выигрыш в пространственном разрешении).
3. Изменения времени релаксации. Время релаксации Т1 и Т2 находится в зависимости от силы статического магнитного поля. Полезное правило: увеличение силы поля от 1,5 до 3 Тл только незначительно влияет на время Т2, однако время Т1 увеличивается примерно на 30-50% в зависимости от вида ткани. Вследствие этих изменений характеристики контраста биологических тканей варьируют в зависимости от силы поля.
Хорошо известным примером является уменьшение контраста между серым и белым веществом на церебральных изображениях в режиме SE. ИП должны быть адаптированы (например, за счет изменения TR), чтобы корректировать эти эффекты. С другой стороны, увеличение времени Т1 введет к заметному улучшению качества изображений при ангиографии с помощью ИП TOF, так как уменьшенная Т1-релаксация и короткое TR обеспечивают лучшее подавление фоновых тканей во время сбора данных.
4. Восприимчивость и химический сдвиг:
4.1 Эффекты восприимчивости. Один из недостатков МРТ в высоких полях - увеличенная чувствительность к эффектам восприимчивости. В то время как эти эффекты благоприятны при функциональной МРТ, они мешают при визуализации туловища. Одна и га же разница в восприимчивости ведет к более значительным локальным колебаниям магнитного поля при 3 Тл, чем при 1,5 Тл. Это обусловливает более быструю расфазировку спинов, вызывая укорочение времени Т2* при 3 Тл.
В то время как эти эффекты улучшают результаты функциональной МРТ (визуализация с BOLD-контрастом), морфологические изображения часто страдают от более выраженных колебаний восприимчивости и артефактов потери сигнала, которые наиболее значительны на границах между средами с разной восприимчивостью. Лучший путь коррекции этих эффектов, ухудшающих качество изображений, - оптимизировать ИП и артефакты реконструкции (уменьшение длины цепочки эха, сегментирование k-пространства, параллельная визуализация).
4.2 Артефакты химического сдвига. Разница между резонансными частотами протонов воды и протонов жира удваивается от 223 Гц при 1,5 Тл до 447 Гц при 3 Тл, что ведет к удвоению артефактов химического сдвига для данной ширины полосы ИП. Такой значительный химический сдвиг может серьезно ухудшать качество MP-изображений.
Один из выборов - увеличить ширину полосы, однако это приведет к снижению соотношения С/Ш. Более полезный выбор - подавление сигнала от жировой ткани. Спектральное подавление сигнала от жировой ткани особенно важно при МРТ в высоких полях, но требует эффективной гомогенизации поля с мощными техниками шиммирования посредством шиммирующих катушек первого и второго порядка.
Чтобы использовать различия сигнала от жира и воды при изображениях в фазе и противофазе, необходимо адаптировать ТЕ к силе поля. В то время как при 1,5 Тл время эха в фазе и противофазе составляет 4,5 и 6,7 мс соответственно, минимальные значения при 3 Тл укорачиваются до 2,2 и 3,4 мс (рис. 1).
Рисунок 1. а, b Фокальная жировая инфильтрация левой доли печени. Область жировой инфильтрации плохо видна на изображениях в фазе (а), но проявляется как отчетливый гипоинтенсивный участок на изображениях в противофазе (b).
5. Удельный коэффициент абсорбции. Главный ограничивающий фактор при укорочении времени сбора данных — это удельный коэффициент абсорбции (specific absorption rate SAR). Абсолютный предел при клинической визуализации всего тела составляет 4 Вт/кг массы тела. Это означает, что температура тела не повысится более чем на 1°С за 15 мин сканирования. SAR определяется главным образом РЧ-импульсами, которые воздействуют на ткани, чтобы создать МР-сигнал.
Он пропорционален квадрату угла отклонения и квадрату силы статического магнитного поля. Это значит, что РЧ-импульсы, применяемые при силе поля 3 Тл, обладают в 4 раза большей энергией, чем те же импульсы при силе поля 1,5 Тл. Особенно высокий SAR возникает в результате использования насыщающих импульсов и ИП TSE с многочисленными импульсами 180°, которые должны быть адаптированы для использования на томографах с силой поля 3 Тл. Таким образом, теоретически предсказываемое укорочение в 4 раза времени сбора данных по сравнению с 1,5 Тл, как правило, не может быть достигнуто в практическом применении при данном соотношении С/Ш.
6. Технология катушек. Выбор поверхностных катушек, доступных для визуализации в высоком поле, еще больше ограничен, чем при 1,5 Тл. В то время как на высокопольных томографах широко используются катушки с распределенной фазой, специализированные поверхностные катушки для опорно-двигательной системы менее доступны. В целом еще предстоит много работы по совершенствованию технологии катушек для высокого поля.
Важно помнить, что достижимое соотношение С/Ш зависит не только от силы магнитного поля, но на него оказывает влияние также тип используемой приемной катушки. Хорошо настроенная система приемных и передаточных катушек является основным условием получения изображений хорошего качества.
7. Параллельная визуализация. Техника параллельной визуализации стала все больше применяться в повседневной клинической практике в последние годы. Важным преимуществом этих методов является укорочение времени сбора данных за счет их одновременного, а не последовательного сбора. Должны выполняться условия, которые позволяют собирать данные с множественными независимыми приемными катушками и соответствующим количеством приемных каналов. Используют специальный алгоритм реконструкции изображений, чтобы одновременно собранные при помощи разных катушек с отличающейся чувствительностью данные могли быть распределены в правильных положениях.
Параллельную визуализацию можно использовать, чтобы сократить время сбора данных или увеличить пространственное разрешение без удлинения времени сканирования. Ограничивающим фактором является значительная потеря в соотношении С/Ш, что создает проблемы для многих вариантов применения при обычной силе поля. Но так как при высокой силе поля часто имеется выигрыш в интенсивности сигнала, потеря сигнала, связанная с параллельной визуализацией, сказывается меньше. К другим преимуществам относятся менее выраженные артефакты восприимчивости в режиме ЕР1 и более широкий диапазон безопасности для SAR.
8. Контрастные средства. Релаксационные свойства контрастных средств зависят от силы поля. Известно, что релаксивность гадолиния увеличивается при более высокой силе поля. Это ведет к относительному повышению сигнала при Т1в-ИП, что должно улучшить отношение контраста к шуму, по крайней мере, теоретически. Однако эти процессы не параллельны. Верно, что соотношение К/Ш между очагом поражения и окружающими тканями улучшается при адекватно оптимизированных Т1в-ИП.
Однако в настоящее время отсутствуют достаточные доказательства, которые оправдывали бы уменьшение дозы контрастного средства при исследованиях в более высоких полях, что, конечно, было бы желательно с экономической точки зрения. В результате стандартная доза контрастного средства для 1,5 Тл используется также в более высоких полях. Это относится и к MP-ангиографии с контрастированием, для которой необходимы специальные исследования, чтобы определить оптимальную дозу контрастного средства, которая должна использоваться в условиях высокого поля.
Обзор эффектов, возникающих при переходе от силы поля 1,5 к 3 Тл, приведен в таблице 3.
б) Исследование сердца. Потенциальный выигрыш в соотношении С/Ш особенно привлекателен при кардиальной МРТ, где относительно длительный сбор данных еще является препятствием к клиническому использованию. В то же время при исследовании сердца возникают специфические проблемы, обусловленные его сложной анатомией и подвижностью. Кроме того, изображения страдают от эффектов восприимчивости, вызванных прилежащей легочной тканью и феноменами кровотока, особенно при сборе данных с помощью ИП, использующих состояние динамического равновесия (bFFE, true-FISP) «рабочих лошадок» функциональной визуализации в поле силой 1,5 Тл.
На сегодняшний день достигнуты только частичные успехи при коррекции таких артефактов путем использования техники шиммирования и уменьшения угла отклонения. Техники параллельной визуализации представляют собой многообещающий подход к МРТ сердца, так как они уменьшают время сканирования, в то же время приводя его в соответствие с пределами SAR. Более высокая сила поля может эффективно компенсировать потерю в соотношении С/Ш. Могут успешно использоваться методы визуализации с «темной кровью» и «яркой кровью» (рис. 2), хотя большие сравнительные исследования но визуализации сердца еще не опубликованы.
Рисунок 2. ИП Т1в-TSE с импульсами спектрального подавления сигнала от жировой ткани и «темной кровью». Тонкие структуры сердца, такие как створки митрального клапана, также видны на этом срезе в полупроекции 4 камер.
Использование более высокой силы поля также многообещающе для коронарной МРА, где использование SSFP представляет проблему. И здесь также еще не опубликованы большие сравнительные исследования.
в) Ангиография и визуализация стенки сосудов с высоким разрешением. МРА в высоких полях уже показала явные преимущества над ангиографией при стандартной силе поля для визуализации интракраниальных сосудов. Улучшенное пространственное разрешение при 3 Тл открывает значительные диагностические преимущества при таких исследованиях. Еще не были опубликованы исследования по ангиографии сосудов верхнего этажа брюшной полости и почечных сосудов с контрастированием.
Однако на основании накопленного опыта резонно предположить, что в ближайшем будущем будут установлены определенные показания к ангиографии в высоких полях. Пока еще нет исследований с контрольной группой, которые демонстрировали бы практическое приложение потенциальных возможностей МРА в высоких полях на основе использования оптимизированных протоколов.
Другая область, в которой МРТ с высоким полем обещает преимущества, - это визуализация бляшек и стенок сосудов с высоким разрешением (рис. 3). Этот вид исследования требует очень высокого пространственного разрешения. Многие исследования, выполненные при 1,5 Тл, отличались чрезмерно длинным временем сбора данных, что может создавать проблемы при клиническом применении. Предполагается, что это еще одна область, в которой МРТ с высоким полем может обеспечить значительный выигрыш.
Рисунок 3. а, b Острое расслаивание левой внутренней сонной артерии. При ИП Т1в-FFE видна муральная гематома в виде полумесяца, а при ИП T2в-TSE (b) с высоким разрешением (толщина слоя 1 мм) отмечается смешанная высокая интенсивность сигнала. При обеих ИП выявляется остаточный перфузируемый просвет артерии.
г) Визуализация верхнего этажа брюшной полости. Пока еще нет сравнительных исследований по визуализации верхнего этажа брюшной полости при различной силе поля (например, исследований, в которых сравнивались бы изображения печени при 1,5 и 3 Тл). Однако можно ожидать, что начальные результаты появятся в ближайшем будущем. Основная проблема при визуализации туловища заключается в том, что возбуждающее (РЧ-) поле неоднородно вследствие диэлектрических свойств тела. Интенсивность сигнала особенно негомогенна, когда РЧ-поле образует «стоячие волны» в теле, так как и возбуждение импульсом, и прием сигнала варьируют на протяжении поперечного сечения тела (рис. 4).
Рисунок 4. ИП Т2в-ТSЕ у пациента с циррозом печени и значительным асцитом. Большое скопление жидкости в брюшной полости ведет к значительной негомогенности поля, что может сильно ухудшить качество изображений при 3 Тл.
Многообещающе выглядят результаты визуализации желчных путей. Выигрыш в соотношении С/Ш при 3 Тл позволяет улучшить визуализацию периферических желчных протоков и может обеспечить выявление даже более скромных изменений, например, при склерозирующем холангите (рис. 5). Как и при визуализации сердца, при исследовании печени желательно сократить время процедуры, чтобы сделать возможно более коротким период задержки дыхания. Как альтернатива может использоваться тот же протокол, что и при 1,5 Тл, но с улучшенным пространственным разрешением.
Рисунок 5. МРХПГ. Отчетливо видна неравномерность стенки желчных протоков 2-го порядка у женщины с первичным склерозирующим холангитом. Улучшенное соотношение С/Ш при более высокой силе поля улучшает качество этого исследования.
д) Исследования опорно-двигательной системы. Визуализация в высоком поле хорошо пригодна для исследования опорно-двигательной системы. При подобных исследованиях особенно желательно высокое пространственное разрешение, чтобы можно было визуализировать даже мелкие структуры. Областью особого интереса является лучезапястный сустав. При использовании адекватной поверхностной катушки можно достигнуть толщины слоя 1,5 мм при матрице 512x512, не увеличивая время сканирования относительно стандартного при 1,5 Тл.
Преимущества исследования в высоком поле включают улучшенную визуализацию внешних и внутренних связок, а также комплекса треугольного фиброзного хряща в лучезапястном суставе (рис. 6, 7). Сходные преимущества такое исследование имеет и для коленного сустава.
Рисунок 6. ИП T1в-TSE лучезапястного сустава во фронтальной плоскости с толщиной слоя 1,5 мм. Значительное улучшение визуализации мелких анатомических структур, например комплекса треугольного фиброзного хряща, вследствие улучшенного пространственного разрешения. Отчетливо видно ульнарное прикрепление этого комплекса.
Рисунок 7. ИП T1в-TSE с подавлением сигнала от жировой ткани после введения препарата гадолиния. Отчетливо виден интенсивно усилившийся внутрикостный ганглий в ладьевидной кости. Заметьте также детальную визуализацию сухожилий сгибателей и отдельных пучков волокон срединного нерва.
е) Резюме. Томографы с интенсивностью поля 3 Тл применялись в клинике и оценивались в последние 5 лет, причем стал очевидным ряд преимуществ и недостатков, зависящих от высокого магнитного поля. Ясно, что такие томографы при всех обстоятельствах не имеют «двойного преимущества» над томографами с интенсивностью поля 1,5 Тл.
Как общее правило, томографы с интенсивностью поля 3 Тл предпочтительны для получения изображений с высоким пространственным разрешением объектов, которые относительно гомогенны и относительно малоподвижны. Главные примеры - нейровизуализация и МРТ опорно-двигательной системы. Визуализация сердца и органов верхнего этажа брюшной полости при 3 Тл имеет ряд физических и технических проблем (стоячие волны, высокий SAR, плохое шиммирование), решение которых - дело будущего.
Несмотря на большие надежды, возлагаемые на высокопольные томографы, которые подчеркиваются производителями, томографы с интенсивностью поля 3 Тл не должны теперь или в будущем рассматриваться как замена томографов 1,5 Тл. С большим основанием можно предсказать, что показания к МРТ или МРА будут становиться все более зависимыми от силы поля. В будущем планирование оптимального MP-исследования будет предполагать не только выбор корректных параметров сканирования, но также включать выбор силы поля, наиболее пригодной для данной клинической задачи.
