Диагностические возможности МРТ были значительно расширены благодаря появлению в 1988 г. контрастных средств для внутривенного введения. Вдобавок к внеклеточным хелатам гадолиния уже применяется или будет доступен для клинического применения в ближайшие годы целый ряд соединений, таких как тканеспецифические контрастные средства и контрастные средства для пула крови.
а) Механизм действия. Контрастность MP-изображений является результатом сложных взаимодействий между параметрами оборудования (индукция поля, градиенты, ИП и т.д.) и специфическими тканевыми параметрами (время спин-решеточной релаксации Т1, время спин-спиновой релаксации Т2, протонная плотность, скорость кровотока и др.). Контрастные средства, используемые в МРТ, изменяют контрастность не прямо, а благодаря изменениям времени релаксации (Т1, Т2) соседних протонов.
Этим они отличаются от контрастных средств для рентгенографии и КТ, которые приводят к непосредственному повышению контрастности. Строго говоря, механизм действия контрастных средств основан на принципах квантовой механики. Эти принципы не рассматриваются в данной статье на сайте, и последующие объяснения упрощены в целях более легкого понимания вопроса.
1. Парамагнитные молекулы. Молекулы контрастных средств для МРТ должны иметь непарные электроны, чтобы влиять на релаксацию протонов. Каждый из таких непарных электронов располагается на отдельной электронной орбите («орбитой» является область в электронном облаке, в которой с наибольшей вероятностью могут быть обнаружены электроны). Все эти непарные электроны имеют параллельные спины, которые складываются вместе, создавая суммарный электронный спин (парамагнетизм).
Магнитный момент непарных электронов приводит к возникновению сильных флуктуирующих переменных магнитных полей вблизи протонов, стимулируя их релаксацию. Центральными атомами парамагнитных молекул обычно являются ионы переходных металлов (с частично заполненными d-орбитами, максимум с 5 непарными электронами) или «редкоземельных металлов» (лантаноиды с частично заполненными f-орбитами, максимум с 7 непарными электронами).
Магнитный момент, который частично определяет эффективность релаксации соседних протонов, пропорционален количеству непарных электронов (табл. 6). Так как ион Gd3+ имеет 7 непарных электронов, он обладает сильным парамагнитным эффектом и является наиболее важным контрастным средством, используемым в МРТ.
2. Суперпарамагнитные молекулы. Помимо парамагнитных молекул в качестве контрастных средств при МРТ используются также суперпарамагнитные молекулы. Распределение парамагнитных атомов в кристаллической решетке (например, кристаллической решетке оксида йода) может увеличить магнитный момент в 10-1000 раз в таком внешнем магнитном поле, которое используется в MP-томографах. В этих суперпарамагнитных контрастных средствах параллельное направление спинов исчезает после выключения приложенного магнитного поля вследствие броуновского движения молекул, что приводит к нулевой суммарной намагниченности.
В качестве контрастных средств доступны суперпарамагнитные частицы окиси железа, известные как SPIO, с разными размерами частиц и гидродинамическими диаметрами.
б) Действие на время релаксации Т1 и Т2. Движения непарных электронов в контрастных средствах создают флуктуирующее переменное магнитное поле. Частоты, которые соответствуют частоте прецессии протонов, ведут к укорочению времени Т1.
Помимо этого происходят колебания локальных магнитных полей, вызывающие потерю фазовой когерентности спинов, что укорачивает время Т2. Таким образом, как парамагнитные, так и суперпарамагнитные контрастные средства укорачивают время релаксации Т1 и Т2, т.е. ускоряют темп релаксации (1/Т1 и 1/Т2). Темп релаксации можно определить, и результаты такого определения показывают его сложные отношения с расстоянием между контрастным средством и протонами, гиромагнитным отношением ядер водорода, а также концентрацией и эффективным магнитным моментом контрастного средства.
На показатели релаксирующей способности (relaxivity) R1 и R2 (моль/с) концентрация контрастного средства не влияет, и они являются клинически полезными количественными характеристиками для измерения эффективности контрастных средств. Следующие правила, не связанные с формулами или физическими параметрами, могут помочь при повседневном клиническом использовании MP-контрастных средств.
- Когда парамагнитные контрастные средства вводятся в низких концентрациях, доминирующим эффектом является укорочение времени Т1. В результате увеличивается интенсивность сигнала от тканей на Т1в-изображениях. Поэтому такие средства называют также Т1-контрастными средствами, или контрастными средствами с положительной контрастностью. Однако при использовании парамагнитных средств в более высоких концентрациях доминирующим эффектом является укорочение времени Т2, что приводит к уменьшению интенсивности сигнала от тканей.
- Суперпарамагнитные частицы окиси железа относительно большого диаметра (>50 нм) главным образом укорачивают время Т2 (низкое R1/R2) и обусловливают значительную потерю интенсивности сигнала. Тем самым эти средства известны также как Т2-контрастные средства, или контрастные средства с отрицательной контрастностью. Их эффект наиболее выражен при применении Т2в-ИП.
- Суперпарамагнитные частицы окиси железа относительно малого диаметра (<20 нм) имеют высокое значение R1/R2 и могут использоваться как контрастные средства и с положительной, и с отрицательной контрастностью. В настоящее время суспензия мелких суперпарамагнитных частиц окиси железа используется в качестве Т1-контрастного средства для пула крови.
Парамагнитные молекулы используют в качестве контрастного средства с положительной контрастностью. Суперпарамагнитные частицы окиси железа с большим диаметром действуют как контрастные средства с отрицательной контрастностью, а подобные им частицы с малым диаметром могут создавать как положительную, так и отрицательную контрастность.
