RU194078U1

RU194078U1 - Тест-объект для контроля качества и калибровки измерений макромолекулярной протонной фракции при исследовании миелинизации с использованием мрт

Info

Publication number: RU194078U1
Application number: RU2019125642U
Authority: RU
Inventors: Василий Леонидович Ярных
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Полезная модель относится к области медицинских приборов и может быть использована в сфере неинвазивной диагностики нейродегененративных и демиелинизирующих заболеваний с использованием магнитно-резонансной томографии. Техническим результатом является создание дешевого, удобного в использовании и практичного устройства, позволяющего неинвазивно и с достаточной точностью проводить измерения количественного содержания миелина в нервной ткани головного мозга. Тест-объект выполнен в виде переносной подставки с размерами, не превышающими зону сканирования томографа, имеющей ячейки, в которые установлены помеченные емкости, содержащие произвольный объем контрольного компонента, обладающего свойствами переноса намагниченности в биологических тканях, в качестве контрольного компонента использован раствор желатина в дистиллированной воде, причем одна часть емкостей содержит перекрестно сшитый альдегидом раствор желатина одинаковой концентрации, выбранной из диапазона 25-35% и имитирующей свойства белого вещества мозга, вторая часть емкостей содержит перекрестно сшитый альдегидом раствор желатина одинаковой концентрации, выбранной из диапазона 10-20% и имитирующей свойства серого вещества головного мозга. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. 1 табл., 6 библ. ист.

Description

Полезная модель относится к области медицинских приборов и может быть использована в сфере неинвазивной диагностики нейродегененративных и демиелинизирующих заболеваний с использованием магнитно-резонансной томографии.

Известен тест-объект «MRI phantom with a plurality of compartments for T1 calibration» (МРТ-фантом с множеством отсеков для калибровки Т1) по международной заявке WO2012049584 (A1) от 19.04.2012. Устройство состоит из множества отделений, заполненных контрольными компонентами, состоящими из растворов контрастирующего агента разных концентраций, время релаксации Т₁ каждого из которых известно. Тест-объект может быть использован для калибровки параметрических карт магнитно-резонансной томографии с использованием Т₁-взвешенной последовательности.

Основной недостаток известного тест-объекта – использование растворов, составляющих контрольный компонент, без макромолекул, схожих по структуре с макромолекулами биологических тканей, и, следовательно, с отсутствием эффекта переноса намагниченности. По этой причине, вышеуказанный тест-объект не может использоваться для измерений макромолекулярной протонной фракции (МПФ).

Методика переноса намагниченности используется в клинической томографии как средство визуализации и управления контрастом изображения. Эффект переноса намагниченности в биологических тканях обусловлен явлениями кросс-релаксации и химического обмена между фракциями протонов с различными релаксационными свойствами. Количество фракций, их удельная величина и релаксационные характеристики представляют собой важную информацию для оценки типа биологической ткани и степени конформационных изменений белковых макромолекул при ее дегенерации.

Известны тест-объекты для исследования свойств миелина, использующие в качестве контрольного компонента экстракты из ткани мозга животного [1] или смесь отдельных липидных компонентов миелина [2], благодаря которым можно воспроизвести эффект переноса намагниченности между протонами макромолекул и свободной воды, наблюдаемый в биологической ткани мозга. Стоимость подобных тест-объектов чрезмерно высока из-за высокой стоимости компонентов (более чем 19000 рублей за грамм экстракта мозга, более 60000 рублей за грамм отдельных липидов). Обычно такие контрольные компоненты помещают в емкости, типа пробирок или мензурок, для размещения в области облучения МР-томографа. Данные тест-объекты приняты за прототип.

Таким образом, основными недостатками предшествующих технических решений является невозможность измерения макромолекулярной протонной фракции и высокая стоимость компонентов.

Целью полезной модели является разработка устройства, позволяющего измерять макромолекулярную протонную фракцию для создания параметрических карт магнитно-резонансной томографии.

Задачей полезной модели является создание дешевого, удобного в использовании и практичного устройства, позволяющего неинвазивно и с достаточной точностью проводить измерения количественного содержания миелина в нервной ткани головного мозга животных и человека.

Для решения задачи предлагается устройство следующей конструкции: набор пластмассовых емкостей с 10-60 мл контрольного компонента, помещенный в переносную подставку по размерам зоны сканирования в магнитно-резонансном томографе. Подставка имеет ячейки, в которые неподвижно установлены помеченные емкости, каждая из которых содержит произвольный объем контрольного компонента, обладающего свойствами переноса намагниченности в биологических тканях. В качестве контрольного компонента в тест объекте использован раствор желатина в дистиллированной воде, причем одна часть емкостей содержит перекрестно сшитый альдегидом раствор желатина одинаковой концентрации, выбранной из диапазона 25-35%, и имитирует свойства белого вещества мозга, вторая часть емкостей содержит перекрестно сшитый альдегидом раствор желатина также одинаковой концентрации, но выбранной из диапазона 10-20%, и имитирует свойства серого вещества головного мозга.

При конкретной реализации можно использовать тест-объект с концентрацией желатина в одной части емкостей 30%, во второй части емкостей - 15%. На практике упомянутый раствор желатина может быть перекрестно сшит 0,5% раствором формальдегида. Оптимальная концентрация альдегида подбирается опытным путем.

Технический результат полезной модели заключается в удешевлении процесса измерений параметров двухкомпонентной модели при создании карт макромолекулярной протонной фракции и визуализации миелинизации биологических объектов, поскольку имитация свойств тестируемого объекта достигается с использованием доступных компонентов с низкой стоимостью, что улучшает потребительские свойства тест-объекта. Благодаря полезной модели решается задача воспроизводимости методов магнитно-резонансной томографии для визуализации миелина на разных моделях магнитно-резонансных томографов и достигается высокая достоверность полученных изображений.

Таким образом, тест-объект представляет собой набор помеченных, например, нумерованных, пластмассовых емкостей произвольной формы емкостью 10-60 мл, содержащих макромолекулярный объект с двумя концентрациями. Объем контрольного вещества и емкостей может варьироваться в любых пределах, в зависимости от потребностей исследователей и размеров томографа. Технический результат полезной модели достигается за счет выбранной структуры контрольного вещества.

Пример. Для имитации макромолекулярного компонента использован пищевой желатин без добавок, растворенный в дистиллированной воде на водяной бане до достижения концентрации раствора 30 мас.% и 15 мас.%. Концентрация желатина в растворе, имитирующем макромолекулярный компонент, может варьироваться: 25-35 мас.% для имитации белого вещества, 10-20 мас.% для серого вещества. Каждый раствор делят на несколько порций. Растворы желатина перекрестно сшивают с использованием, например, 0,5% раствора глутаральдегида при интенсивном размешивании. Несколько емкостей, например, три, заполняют раствором желатина с концентрацией 15 мас.%., и несколько емкостей, например, три, заполняют раствором желатина с концентрацией 30 мас.%, надежно устанавливают в переносную подставку и помещают в томограф. В качестве сшивающего агента может быть использован и другой альдегид, например, формальдегид. Использование сшивающего агента позволяет близко соединить макромолекулы раствора желатина, воспроизводя плотное расположение макромолекул миелиновой оболочки и позволяя получить качественное контрастное изображение. Контрольный компонент тест-объекта стабилизируют в течение 48 ч при комнатной температуре перед использованием. Полученный макромолекулярный компонент представляет собой коллоидный раствор (гель).

Параметры двухкомпонентной модели контрольных компонентов тест-объекта (гелей) были измерены с помощью метода Z-спектроскопии [4, 5] с использованием научно-исследовательского магнитно-резонансного томографа Philips с напряженностью магнитного поля 3 Tл (Таблица 1, строки 1–4). Магнитно-резонансное исследование методом Z-спектроскопии используется для картирования и измерения параметров, отражающих кросс-релаксацию между протонами жидких и плотных веществ в тканях. На фиг. 2 справа приведен пример графического изображения результатов Z-спектроскопии контрольного компонента с 30 % концентрацией раствора желатина. График отражает нормализованный взвешенный по переносу намагниченности сигнал (S_MT/S_Ref) как функцию смещения частоты радиочастотного излучения (offset frequency) для разных номинальных углов поворота вектора суммарной намагниченности протонов при импульсном насыщении (saturation flip angle). Результаты, отраженные на графике Z-спектра, полученного при сканировании 30 % перекрестно сшитого раствора желатина, соответствуют полученным данным при сканировании белого вещества мозга методом Z-спектроскопии.

Для практической оценки свойств тест-объект сканировался на разных магнитно-резонансных томографах (Philips и General Electric с напряженностью магнитного поля 3 Tл, Philips и Siemens с напряженностью магнитного поля 1,5 Tл) с использованием одноточечных протоколов картирования макромолекулярной протонной фракции в течение длительного времени [3]. Средние значения результатов сканирования со стандартными ошибками приведены в таблице 1. Тест-объект показал стабильность получаемых результатов независимо от продолжительности и количества использований. Одноточечные реконструкции для двух компонентов тест-объекта показали значения макромолекулярной протонной фракции, близко соответствующие результатам Z-спектроскопии (Таблица 1, строки 1, 5-8). Более того, компоненты фантома (перекрестно сшитые гели) показали значения макромолекулярной протонной фракции, очень близкие соответствующим значениям в белом и сером веществе головного мозга (Таблица 1, строки 5-8). Измерения макромолекулярной протонной фракции на различных магнитно-резонансных томографах показали практически идентичные значения (Таблица 1, строки 5-8).

Контрольные компоненты заявленного тест-объекта удовлетворяют следующим требованиям:

1) близко соответствуют значениям параметров двухкомпонентной модели: макромолекулярной протонной фракции, константе скорости кросс-релаксации (R) и времени продольной релаксации (Т₂) свободной воды T₂ ^F и протонов макромолекул T₂ ^B в тканях мозга (Таблица 1, строки 2-4);

2) показывают высокую воспроизводимость результатов при многократном использовании;

3) стабильны в течение длительного времени.

4) доступны по цене;

Эти результаты позволяют использовать предложенный тест-объект и входящие в него простые композиции для контроля качества при измерении макромолекулярной протонной фракции и при построении соответствующих карт объекта исследования.

Схематичное графическое изображение тест-объекта для контроля качества и калибровки измерений макромолекулярной протонной фракции при исследовании миелинизации с использованием МРТ приведено на фиг. 1. Части тест-объекта обозначены цифрами. Тест-объект на схеме может состоять из 6 емкостей (цифра 2) с контрольным компонентом внутри (цифра 3). Емкости размещены в переносной подставке (цифра 4) с ячейками для установки. Емкости снабжены крышками (цифра 1), препятствующими контакту контрольного компонента со средой. Пространство емкости, не заполненное контрольным компонентом, остается пустым. На схеме изображено одно из возможных расположений емкостей для размещения макромолекулярного компонента внутри томографа, обеспечивающее удобство сканирования.

Пример использования тест-объекта при магнитно-резонансном сканировании отражен на фиг. 2. На фиг. 2 слева приведен пример карты МПФ тест-объекта. Для карты МПФ дана градуировка процентного содержания протонов в объекте, входящих в состав макромолекул (вертикальная полоса от 0 до 20 %). Более высокому процентному содержанию макромолекул, соответствует более интенсивный сигнал, черный фон соответствует отсутствию макромолекулярной протонной фракции. На данной карте МПФ приведены изображения полученные методом МПФ при сканировании тест-объекта с 30-процентной (а) и 15-процентной (б) концентрацией желатина в контрольном компоненте тест-объекта. Сравнение магнитно-резонансного и гистологического исследования вещества мозга показало, что интенсивность сигнала на картах МПФ адекватно отражает содержание миелина в веществе мозга [4, 5]. График на фиг. 2 справа отражает результаты Z-спектроскопии емкости с 30 % концентрацией желатина в контрольном компоненте, изображенной на левой части фиг. 2 с обозначением «а», и демонстрирует хорошее совпадение.

Пример эксплуатации полезной модели. Тест-объекта использован для исследования потенциального влияния времени продольной релаксации Т₁ на точность измерения макромолекулярной протонной фракции. В ходе исследования в две емкости с растворами желатина из трех был добавлен контрастный препарат Magnevist, обладающий парамагнитными свойствами. При этом картирование макромолекулярной протонной фракции показало стабильность измерений макромолекулярной протонной фракции при значительных изменениях Т₁ в присутствии парамагнетика. Применение тест-объекта позволило протестировать точность измерений МПФ при варьировании Т₁как в пределах, так и за пределами физиологического диапазона. Применение тест-объекта позволило исключить влияние изменений Т₁ на тканевой контраст, обусловленный макромолекулярной протонной фракцией.

Полезная модель позволяет валидировать карты макромолекулярной протонной фракции для клинической неинвазивной диагностики содержания миелина в тканях, и может быть использована в клинических и научных целях при настройке магнитно-резонансных томографов различных моделей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wilhelm, M. J. et al. Direct magnetic resonance detection of myelin and prospects for quantitative imaging of myelin densit / M. J. Wilhelm, H. H. Ong, S. L. Wehrli, C. Li, P. H. Tsai, D. B. Hackney, F. W. Wehrli // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. – 2012. – Vol. 109. P. 9605-9610.

2. Kucharczyk, W. et al. Relaxivity and magnetization transfer of white matter lipids at MR imaging: importance of cerebrosides and pH / W. Kucharczyk, P. M. Macdonald, G. J. Stanisz, R. M. Henkelman // Radiology. – 1994. –Vol. 192. P. 521-529.

3. Yarnykh, V. L. Fast macromolecular proton fraction mapping from a single off-resonance magnetization transfer measurement / V. L. Yarnykh // Magn. Reson. Med. – 2012. – Vol. 68. P. 166-178.

4. Naumova, A. V. et al. High-resolution three-dimensional macromolecular proton fraction mapping for quantitative neuroanatomical imaging of the rodent brain in ultra-high magnetic fields / A. V. Naumova, A. E. Akulov, M. Y. Khodanovich, V. L. Yarnykh // Neuroimage. – 2017. - Vol. 147. P. 985-993.

5. Underhill, H. R. et al. Fast bound pool fraction imaging of the in vivo rat brain: Association with myelin content and validation in the C6 glioma model / H. R. Underhill, R. C. Rostomily, A. M. Mikheev, C. Yuan, V. L. Yarnykh // Neuroimage. – 2011. – Vol. 54. P. 2052-2065.

6. Куприянов Д.А. Метод кросс-релаксационной спектроскопии в магнитно-резонансной томографии головного мозга. Автореферат дисс. к.ф.-м. н. 2001 г.

Claims

1 Тест-объект для контроля качества и калибровки измерений макромолекулярной протонной фракции с использованием магнитно-резонансной томографии при исследовании миелинизации биологических тканей, включающий набор емкостей для размещения контрольного компонента, отличающийся тем, что он выполнен в виде переносной подставки с размерами, не превышающими зону сканирования томографа, имеющей ячейки, в которые установлены помеченные емкости, содержащие произвольный объем контрольного компонента, обладающего свойствами переноса намагниченности в биологических тканях, в качестве контрольного компонента использован раствор желатина в дистиллированной воде, причем одна часть емкостей содержит перекрестно сшитый альдегидом раствор желатина одинаковой концентрации, выбранной из диапазона 25-35% и имитирующей свойства белого вещества мозга, вторая часть емкостей содержит перекрестно сшитый альдегидом раствор желатина одинаковой концентрации, выбранной из диапазона 10-20% и имитирующей свойства серого вещества головного мозга.

2 Тест-объект по п.1, отличающийся тем, что концентрация желатина в одной части емкостей составляет 30%, во второй части емкостей 15%.

3 Тест-объект по п.1 или 2, отличающийся тем, что упомянутый раствор желатина сшит 0,5%-ным раствором формальдегида.