Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР

1. Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР. Биомедицинские приложения Осенний семестр 2018-го года Проф. Ю.А.Пирогов

Московский государственный университет
им. М.В.Ломоносова
Физический факультет
Учебно-научный межфакультетский и
междисциплинарный центр магнитной томографии и
спектроскопии (ЦМТС МГУ)

2.

Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР
в биомедицинских исследованиях
Программа междисциплинарного курса
Лекции
1. Введение. Физические методы и приборы в биомедицине. Радиационная медицина. Лазерные методики. Микроволновая
терапия. Акустические методы в медицине. Воздействие физических полей на живые организмы. Медицинская биофизика.
Молекулярная визуализация.
2. Медицинская диагностика. Рентген, УЗИ, инфракрасное и микроволновое тепловидение. Оптоакустическая диагностика.
Томографические методы в сравнении: компьютерная (рентгеновская) томография, магнитно-резонансная томография
(МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), микроволновая, лазерная и ультразвуковая томография,
квазистатическая электромагнитная томография. Тераностика. ЯМР спектроскопия в медицинской диагностике:
метаболомика, геномные и протеомные исследования. Общее знакомство с парком исследовательской магнитнорезонансной аппаратуры ФФМ МГУ.
3. Магнитно-резонансная томография (МРТ) и ЯМР спектроскопия. Физические основы магнитного резонанса. Открытие
Е.К.Завойским электронного парамагнитного резонанса. Магнитные моменты ядер и их прецессия в магнитном поле.
Гиромагнитное отношение и ларморова частота. Продольная (спин-решеточная) и поперечная (спин-спиновая) релаксация.
Принципы формирования ЯМР сигнала как отклика на радиочастотное (РЧ) воздействие, квантовый и векторный подходы.
4. Анализ движения вектора намагниченности под действием РЧ поля и релаксационных процессов. Уравнения Блоха.
Резонансное радиочастотное воздействие на поворот вектора намагниченности. Канонические 90 о и 180о радиоимпульсы.
Импульсные последовательности и их структура. Считывание ЯМР сигналов продольной и поперечной релаксации.
Характерные времена релаксации для тканей с различной протонной плотностью. Мультиядерные процессы – отклик
замагниченных тяжелых ядер на радиочастотное воздействие.
5. Основные узлы и блоки томографа. Сверхпроводящий магнит. Программные средства томографа – компьютер,
операционная система, управляющая программа. Принципы построения МРТ изображений, роль градиентных магнитных
полей. МРТ как активное радиовидение. Пространственное разрешение. Спиновое и градиентное эхо. Способы,
повышающие контрастность МРТ изображений. Диагностическая информация, получаемая при МРТ исследовании.

3.

6. Биомедицинская спектроскопия ЯМР как метод молекулярного анализа биофлюидов и тканей в живом организме.
Природа химического сдвига спектральных линий. Понятие о спин-спиновом взаимодействии и мультиплетная структура
спектра ЯМР. Локальная спектроскопия ЯМР в магнитно-резонансных сканерах – in vivo получение ЯМР сигнала от малого
объема образца ткани (воксела) со сложной молекулярной структурой. Метаболомика – диагностическая ЯМР
спектроскопия биофлюидов человека и животных. Обнаружение патологий по спектральным характеристикам метаболитов.
7. Биохимия белковых молекул. Двумерный и трехмерный ЯМР спектральный анализ. Суперкомпьютеры в расшифровке
структуры биомолекул. Роль лигандов в формировании амилоидных поражений мозга при болезнях Альцгеймера,
Паркинсона, рассеянном склерозе. Патологии, связанные с разрушением миелиновых оболочек аксонов головного и
спинного мозга. МРТ измерения степени миелинизации белого и серого вещества мозга. Понятие о компьютерном синтезе
лекарств и спектральный ЯМР анализ готовых форм.
8. Подведение итогов лекционного раздела с кратким обзором состояния и текущих проблем в области биомедицинских
применений ЯМР. Главные вехи развития магнитно-резонансной томографии и ЯМР спектроскопии, отмеченные
Нобелевскими премиями. Вклад российских ученых в науку магнитного резонанса, ЯМР спектроскопии и МРТ. Современное
состояние ЯМР-устройств и перспективы их усовершенствования. Высокопольные ЯМР спектрометры. Магнитнорезонансная томография в сильных и слабых магнитных полях. Мультиядерные МРТ исследования. Гиперполяризация и
альтернативные способы улучшения качества МРТ изображений. Рекомендации по выполнению практических занятий.
Практические занятия на ЯМР оборудовании ФФМ МГУ
9. Практические занятия на 0.5-Тл медицинском МРТ сканере Bruker Tomikon S50. Знакомство с элементами томографа –
сверхпроводящим магнитом, приемо-передающим радиочастотным трактом, катушками индуктивности, управляющим
компьютером, системой регенерации жидкого гелия, инфраструктурными элементами обеспечения работоспособности
прибора, системой архивации и обработки результатов МРТ исследований.
10. Анализ МРТ изображений отдельных органов человека, полученных на 0.5-Тл томографе в режимах измерения сигналов
продольной и поперечной релаксации. Демонстрация методик подавления фоновых сигналов нормальных тканей с
селекцией слабых патологических образований. Измерение времен релаксации на фантомах, содержащих вещества с
ткань-эквивалентными параметрами.
11. Биоспектротомография малых животных на 7-Тл сканере Bruker BioSpec 70/30 USR. Молекулярная визуализация.
Целевая доставка препаратов в область патологии. Биомаркеры и парамагнитные визуализаторы. Способы доставки
лекарственных нанобиоконтейнеров и экстракция препарата на мишени под действием физических полей.

4.

12. Демонстрация экспериментов на 7-Тл биоспектротомографе с малыми животными in vivo. Пространственное
разрешение и быстродействие прибора. Примеры наблюдения меченых парамагнитными ионами молекул и путей
доставки препарата в область патологии. Нанокапсулированные препараты и МРТ наблюдение их эффектов при
онкологии и ишемии головного мозга. Визуализация живого сердца мышей и крыс в стробоскопическом режиме.
13. Знакомство с ЯМР спектрометром Bruker Avance 600 MHz, предназначенным для изучения жидких биохимических
соединений. Измерение и анализ спектров органических жидкостей. Особенности устройства и функций ЯМР
спектрометров: сверхпроводящий магнит, азотная «рубашка», однородность поля, вариации температуры образцов,
криогенные датчики, измерения на протонах и тяжелых ядрах. Примеры получения и анализ конкретных спектров.
14. Участие студентов в экспериментах на твердотельном ЯМР спектрометре Bruker Avance 400 MHz. Отличия
жидкостных и твердотельных спектрометров. Формирование спектров ЯМР твердых тел. Разрежение спектра
вращением образцов под магическим углом. Спектральный анализ структуры биомолекул в наноконтейнерах.
Карбоновые и кремниевые нанотрубки в качестве биоконтейнеров.
Рекомендованная литература
1. Ринкк П.А. Магнитный резонанс в медицине // под ред. В.Е.Синицына. М., ГЭОТАР-МЕД, 2003, 247 с. URL:
https://www.twirpx.com/file/525216/
2. Анисимов Н.В., Батова С.С., Пирогов Ю.А. Магнитно-резонансная томография: управление контрастом и
междисциплинарные приложения / Под ред. Ю.А.Пирогова. – М.: МАКС Пресс, 2013, 243 с. URL:
https://istina.msu.ru/publications/book/4981506/
3. Аганов А.В. Введение в магнитно-резонансную томографию // Учебное пособие. – Казань: Изд-во Казанского
госуниверситета, 2014, 67 с.
http://kpfu.ru/portal/docs/F1671217290/A.V..Aganov.VVEDENIE.V.MEDICINSKUJu.YaDERNUJu.MAGNITNO._.REZONANSN
UJu.TOMOGRAFIJu._Kaazan.2013_.pdf
Программу составил
Профессор физического ф-та МГУ, д.ф.-м.н.
Пирогов Юрий Андреевич
+7 985 233 9322; [email protected]
28 августа 2019 года

5. Содержание

• Медицинская физика – что это такое?
• Томография и радиоспектроскопия
как методы диагностики и изучения
живых объектов и систем.
• Томографические методы.
• МРТ – новые методики и кроссдисциплинарные проекты
• Радиоспектроскопия.
• Перспективы

6. Медицинская физика – что это такое?

Радиационная медицина
Лазерная медицина
Микроволновая терапия
Акустические методы
Воздействие физических полей на живые
организмы
Психофизиология
Медицинская биофизика
Медицинская диагностика
Тераностика
Молекулярная визуализация
Медицинская физхимия

7. Радиационная медицина

• Ускорители заряженных частиц
(прицельное облучение патологий
электронными и протонными
пучками, распад новообразований)
• Потоки нейтронов
• Г-скальпель и Кибер-Нож
• Брахитерапия
• Ассоциация медицинских физиков и
журнал «Медицинская физика»

8. Протонная терапия

• Процедурный
кабинет протонной
терапии
• Пульт протонного
ускорителя

9. Дозы радиоактивных облучений

• Доза протонной
терапии
• Сравнительные дозы
и глубина
проникновения
радиоактивных
излучений

10. Кибер-нож и Гамма-нож

• В системе ГаммаНож это гамма излучение
Co-60 на основе распада
кобальта, система КиберНож работает на основе
рентгеновского излучения.
Источников излучения
у Гамма-Ножа несколько,
тогда как система КиберНож имеет один
сверхточный линейный
ускоритель и использует
его для X-ray облучения
онкологических поражений
и опухолей.

11. Лазерная медицина

• Лазерная хирургия (эффекты коагуляции,
перфорация сердечной мышцы, разрушение
патологических тканей, оптоволоконный
скальпель нейрохирурга)
• Облучение
• Эндоскопия
• Лазерная экстракция фармпрепаратов из
нанокапсул
• Лазерная гипертермия
• Технология искусственных костных тканей
• Восстановление межпозвоночных тканей
• Офтальмология (лазерная коррекция зрения,
приваривание отслоившейся сетчатки)

12. Лазерный скальпель

Основное преимущество
лазерного скальпеля —
малая травматичность
операции из-за
незначительной ширины
разреза, одновременной
коагуляции сосудов и
существенного снижения
кровотечения. Кроме
того, в отличие от
обычного скальпеля,
излучение
лазера абсолютно
стерильно. Вследствие
всего перечисленного
период заживления
раны сокращается в дватри раза

13. Микроволновая терапия

• Физиотерапия (УКВ и более короткие
волны)
• СВЧ гипертермия (аппликаторы)
• Хирургия (СВЧ ланцет с коагуляцией)
• Терапевтическое действие
микроволн миллиметрового
диапазона

14. Микроволновая терапия

• Физиотерапия
Разогрев тканей
СВЧ излучением
на частоте 2.4 ГГц

15. Процедура СВЧ терапии

• Разогрев
воспаленного
колена СВЧ
излучением на
частоте 2,45 ГГц
• Перспективные
разработки
миллиметрового
диапазона

16. СВЧ гипертермия

• Микроволновый
генератор на
частоте 2.45 ГГц

17. Медицинская акустика

УЗИ
Литотрипсия
УЗ гипертермия
УЗ кавитация
Бескровная хирургия (коагуляция)

18. УЗ аппаратура

• Аппарат
ультразвукового
исследования
(УЗИ)
• УЗ скальпель и
ножницы

19. УЗ аппаратура

• Ультразвуковой
сканер для
лечения
болезни
Паркинсона

20. Литотриптерная установка

• Литотриптерная
терапия камней в
почках
• Сфокусированный
УЗ луч в онкологии

21. Воздействие физических полей

• Микроволновая терапия
• Магнитные поля (постоянные,
переменные, высокочастотные,
гипертермия, магнитная «нанотерапия»)
• Электрические поля + в комбинации с
магнитным полем
• Акустические (вибрационные) эффекты,
метод Илизарова + акустика
• Полевая акупунктура (СВЧ, УЗИ, лазер)

22. Магнитно-полевая терапия

23. Кавитационная УЗ липосакция

24. Метод Илизарова + «акустика»

25. Психофизиология

• Биотоки, биопотенциалы, биоритмы
головного мозга
• Физика возбуждения нейронов,
электрический диполь
• Электроэнцефалография биопотенциалов
коры головного мозга
• Магнитоэнцефалография биотоков
• Обратные и прямые задачи диагностики
функций головного мозга

26. Электроэнцефалография

27. Магнитоэнцефалография

• МЭГ сканер
• МЭГ измерения

28. Измерительная головка МЭГ сканера

29. Медицинская биофизика

• Связь биомолекулярных
(элементарных) процессов с нормой
и патологией
• Расшифровка и «прошивка» (в
будущем) программы формирования
живых организмов, связь микро- и
макропроявлений, ДНК и геном
• Генная терапия

30. Медицинская диагностика

Томография
Биолокация (УЗИ, СВЧ, оптоакустика)
Метаболомика и метабономика
Метод электропроводности
Тепловидение и термометрия (ИК и СВЧ)
Кардиография (электро- и магнитокардиография)
• Полиграф («детектор лжи»),
компьютерный face-control

31. Компьютерная (рентгеновская) томография

32. Метаболомика и протеомика. ЯМР-спектроскопия и масс-спектрометрия

33. Тепловизионные ИК изображения

• Как видно, более холодные
участки имеют синие и
черные цвета, а теплые –
желтые и красные

34. Кардиография

• Измерения на полиграфе
Кардиография

35. Тераностика

• Хирургия + (МРТ, УЗИ, КТ,
оптоволоконный и лазернотомографический контроль)
• Гипертермия + интра-термометрия
(МРТ)
• Лекарственная терапия +
метаболомика, молекулярная
визуализация, фармакокинетика

36. Молекулярная визуализация

• Контрастеры и молекулярные
маркеры
• Лазерное зондирование
• МРТ визуализация
• Биоспектроскопия
• Фармакокинетика стволовых клеток
• Онкоангиогенез

37. Медицинская физхимия

• Определение структуры биомолекул
• Протеомика, взаимодействие белковых
молекул
• Биомолекулярные патологии (болезни
Паркинсона, Альцгеймера, рассеянный
склероз, коровье бешенство и др.)
• Наноструктурные лекарства