Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) — это неинвазивный диагностический метод, основанный на принципах ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Он позволяет проводить детальный биохимический анализ тканей благодаря магнитным свойствам атомных ядер. В отличие от традиционной магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая в основном фиксирует анатомические данные, МРС измеряет резонансные частоты ядер для определения их химической среды, предоставляя важную информацию о метаболических и молекулярных процессах. Эта возможность делает МРС особенно ценной в таких медицинских областях, как неврология, онкология и метаболические расстройства, где она помогает в диагностике и мониторинге заболеваний путем оценки биохимических изменений на молекулярном уровне.

Используемые ядра в МР-спектроскопии

Наиболее часто используемыми ядрами в МР-спектроскопии являются водород (1H), натрий (23Na) и фосфор (31P). Протонная спектроскопия (1H МРС) является наиболее распространенной благодаря более высокому отношению сигнал/шум и легкости интеграции с традиционными МРТ-протоколами. Эта техника необходима для обнаружения метаболитов, таких как N-ацетиласпартат (NAA), холин (Cho) и креатин (Cr), которые служат маркерами здоровья нейронов, клеточного обмена и энергетического метаболизма. Например, повышенные уровни холина могут указывать на высокозлокачественные глиомы, тогда как сниженные уровни NAA часто ассоциируются с нейродегенеративными состояниями и опухолями.

Резонансные частоты и химические сдвиги

Резонансные частоты представлены в миллионных долях (ppm) для упрощения. В протонном спектре при 1.5 Тесла метаболиты распределены в диапазоне от 63,000,000 до 64,000,000 Герц. Эта шкала обратная, справа налево для облегчения интерпретации, с N-ацетиласпартатом (NAA) на уровне 2.0 ppm и другими метаболитами, расположенными соответственно на спектральной линии.

Последовательности импульсов в МР-спектроскопии

Две основные последовательности импульсов, используемые в МР-спектроскопии, — это STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode) и PRESS (Point RESolved SpectroScopy). STEAM использует 90-градусный фокусирующий импульс для сбора сигнала, аналогично градиентному эху, что позволяет использовать более короткие времена эха, но с меньшим отношением сигнал/шум. PRESS, напротив, фокусирует спины с 180-градусным радиочастотным импульсом, что приводит к различным преимуществам при сборе сигнала.

Время эхо (TE) и наблюдение метаболитов

Время эхо (TE) в МР-спектроскопии значительно влияет на наблюдаемые метаболиты в спектрах. Короткое TE в 30 миллисекунд позволяет наблюдать метаболиты с короткими и длинными временами релаксации T2. Длинное TE в 270 миллисекунд показывает в основном метаболиты с длинными временами релаксации T2, такие как NAA, креатин и холин. Другим полезным TE является 144 миллисекунды, что инвертирует лактат при 1.3 ppm, облегчая идентификацию этого специфического метаболита.

Спектральная обработка

Шимминг и однородность магнитного поля

В подготовке к сканированию одно-воксельной МРС, МРТ система корректирует магнитное поле, регулируя электрические токи в шиммирующих катушках. Шиммирующие катушки являются неотъемлемой частью МР системы, обычно встроены в ту же кольцевую структуру, что и градиентные катушки, используемые для визуализации, и создают магнитные поля с приблизительно полиномиальной зависимостью от пространственных координат x, y и z внутри объема визуализации. Через итеративную процедуру шиммирования, доступную на всех коммерческих системах 3 Т, значения электрического тока для линейного и квадратичного шиммирования регулируются для обеспечения наиболее однородного магнитного поля внутри заданного вокселя.

Подавление воды

Концентрация объемной воды примерно в 10 000 раз больше концентраций метаболитов в мозге, что может мешать измерению гораздо меньших концентраций других метаболитов. В последовательности импульсов МРС подавление воды обычно достигается с помощью химического сдвига селективного подавления (CHESS), который включает определенную последовательность из трех радиочастотных импульсов, чередующихся с градиентными импульсами, предназначенными для значительного уменьшения сигнала от протонов объемной воды, при этом оказывая минимальное влияние на намагниченность метаболитов. Модуль CHESS может быть включен в любую последовательность импульсов МРС для улучшения обнаружения биологически важных метаболитов.

Методы подбора пика

Методы подгонки пиков могут обеспечить более точную количественную оценку интенсивности сигнала метаболитов, чем интеграция пиков во многих экспериментальных ситуациях. С этими методами каждый важный пик в спектре подгоняется к форме модельного пика, определенной математически, для которой подогнанный пик имеет известное значение интеграла. Оптимальное сочетание значений интегралов пиков затем итеративно рассчитывается для всего набора пиков. Этот метод наиболее полезен, когда комбинируется с предварительными знаниями о сигналах метаболитов, включая частотные соотношения, амплитудные отношения, скалярную связь и другие характерные черты.

Программное обеспечение jMRUI: Широко используемое для МР-спектроскопии, поддерживающее различные операционные системы и версии Java. Последняя версия, jMRUI 7.0, выпущенная 16 июля 2023 года, требует 32-битной Java 7 или новее и работает на Microsoft Windows® 7/8/10 и GNU/Linux®, как 32-, так и 64-битные системы. Для более сложного анализа данных оптимально также использовать Matlab, который предоставляет мощные инструменты для обработки и визуализации данных МР-спектроскопии.

Клинические и исследовательские применения

Неврология: МРС позволяет детально оценивать метаболические изменения в мозге при таких состояниях, как опухоли, инсульт, эпилепсия, метаболические расстройства, инфекции и нейродегенеративные заболевания.

Онкология: МРС используется для обнаружения метаболических маркеров, связанных с опухолями, что помогает в их диагностике и мониторинге.

Метаболические расстройства: МРС позволяет оценивать изменения метаболических путей, что важно для диагностики и лечения различных метаболических заболеваний.

Преимущества и ограничения

Преимущества:

• Неинвазивность и отсутствие ионизирующего излучения.
• Способность предоставлять уникальную информацию о биохимическом составе тканей.

Ограничения:

• Сложность интерпретации данных.
• Ограниченная пространственная разрешающая способность.
• Вариабельность количественной оценки метаболитов у разных субъектов и в различных областях мозга.

Текущие исследования и перспективы

Продолжающиеся улучшения в технологиях и методологиях МР-спектроскопии обещают её интеграцию в рутинную клиническую практику, предоставляя критически важные молекулярные данные, поддерживающие персонализированную медицину.