Магнитно-резонансная релаксиметрия (МРР) имеет богатую историю, начавшуюся с изобретения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в 1930-х годах. Возможность измерять времена релаксации T1 и T2 была впервые продемонстрирована Луком и Локером в 1970 году, а работа Дамадиана в 1971 году показала потенциал этих измерений для выявления злокачественных опухолей (Damadian, 1971). Разработка первого МРТ-сканера для человека в 1978 году стала значимой вехой, что привело к коммерциализации МРТ в 1980-х годах. Однако первоначальные высокие ожидания от релаксиметрии как диагностического инструмента были умерены трудностями в стандартизации и репродуцируемости.

За десятилетия МРР прошла через периоды завышенных ожиданий и разочарований, что отражено в «цикле хайпа релаксиметрии» (Stikov et al., 2023). Несмотря на эти колебания, поле продолжает развиваться, с ключевыми достижениями в 1980-х и 1990-х годах, включая более быстрые методы картирования T1 и T2 и развитие мультикомпонентной релаксиметрии. На рубеже тысячелетий появились техники второго поколения, такие как метод с переменным углом наклона (VFA) и Look-Locker с режимом постоянной свободной предварительной намагниченности (SSFP), которые улучшили эффективность и точность измерений релаксации.

В последние годы инновации, такие как MR Fingerprinting и Synthetic MRI, революционизировали поле, позволяя одновременное картирование нескольких параметров релаксации за один скан. Эти техники открывают новые возможности для клинических применений, от оценки состава тканей при неврологических расстройствах до оценки функции сердца и железонакопления в печени. Однако МРР все еще сталкивается с значительными вызовами, особенно в достижении последовательных и воспроизводимых результатов на разных МРТ-сканерах и от разных производителей. Текущие усилия по стандартизации протоколов и разработке независимых от производителя последовательностей, такие как инициативы Quantitative Imaging Biomarkers Alliance (QIBA) и Национального института стандартов и технологий (NIST), играют ключевую роль.

Этот обзор стремится предоставить всесторонний анализ последних разработок в МРР за период с 2018 по 2024 год, выделяя как технологические инновации, так и клинические применения. Синтезируя самые свежие исследования, эта статья определяет текущее состояние поля, существующие пробелы и будущие направления, которые могут дальше повысить полезность МРР в медицинской диагностике.

Теория релаксиметрии

Релаксиметрия изучает скорости релаксации в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Процесс релаксации включает возвращение ядер в свое основное состояние после их возбуждения радиочастотным (РЧ) импульсом. Этот процесс происходит за счет случайных вариаций в локальной напряженности магнитного поля. В МРТ измеряются два основных типа релаксации:

1. T1 (Время продольной релаксации): Это время отражает, насколько быстро протоны возвращаются к равновесию с магнитным полем после выключения РЧ-импульса. T1 зависит от взаимодействий между спинами ядер и окружающей молекулярной средой (решеткой).
2. T2 (Время поперечной релаксации): T2 отражает, насколько быстро протоны теряют фазовую когерентность между спинами, ориентированными перпендикулярно магнитному полю. Это время зависит от взаимодействий между спинами ядер, которые вызывают расхождение фаз спинов.

Методы релаксиметрии

Для измерения времени T1 и T2 в МРТ используются различные методы и протоколы. Основные методы включают:

1. Секвенция спин-эхо (Spin-Echo Sequence): Этот метод используется для измерения времени T2. В спин-эхо секвенции протоны возбуждаются с помощью 90-градусного РЧ-импульса, затем следует 180-градусный импульс, который восстанавливает фазовую когерентность спинов, создавая эхосигнал. Время до формирования эхо сигнала (Echo Time, TE) напрямую связано с временем T2.
2. Секвенция инверсного восстановления (Inversion Recovery Sequence): Эта методика применяется для измерения времени T1. В начале этой секвенции используется 180-градусный РЧ-импульс, который инвертирует намагниченность тканей. По мере восстановления продольной намагниченности, после определенного времени (Inversion Time, TI) подается 90-градусный импульс для регистрации сигнала. Время восстановления намагниченности связано с T1.
3. Картирование T1 и T2 (T1 and T2 Mapping): Этот метод заключается в построении карт времени релаксации для каждой точки изображения. Это позволяет количественно оценить распределение T1 и T2 значений по всей области исследования, что полезно для диагностики патологий с аномальными значениями релаксации.
4. Методы многократного спин-эхо (Multi-Echo Methods): Эти методы используются для повышения точности измерений времени T2. В рамках одной секвенции выполняется несколько спин-эхо с разными значениями TE, что позволяет получить несколько точек на кривой экспоненциального затухания и более точно рассчитать время T2.

Эти методы релаксиметрии позволяют получить важную информацию о микроструктуре тканей и их биофизических свойствах, что делает их ценными в диагностике и исследовании различных заболеваний.

Клинические применения

Нейровизуализация

В неврологии МРР играет ключевую роль в диагностике и мониторинге опухолей мозга, особенно глиом. Недавние исследования показывают, что релаксиметрия может с высокой точностью различать глиомы и метастазы, а также градуировать глиомы на основе времен релаксации (Chekhonin et al., 2024). Например, картирование T2* позволяет выявлять зоны тканевой гипоксии внутри опухолей, которые не всегда видны на перфузионной визуализации. Кроме того, релаксиметрия используется для оценки перитуморальной зоны, предоставляя информацию о паттернах инфильтрации опухоли.

В рассеянном склерозе (РС) МРР выявила изменения в нормально выглядящем белом веществе и сером веществе, с увеличением времен релаксации T1, T2 и T2*, коррелирующих с прогрессированием заболевания (Gracien et al., 2021). Эти результаты указывают на то, что релаксиметрия может обнаруживать микроструктурные изменения, предшествующие видимым поражениям на традиционной МРТ, что потенциально позволяет диагностировать заболевание на более ранних стадиях.

Кардиология

В кардиологии МРР применяется для оценки повреждения миокарда и фиброза. Картирование T1 используется для прогнозирования функционального исхода после инфаркта миокарда без необходимости контрастных веществ на основе гадолиния, предлагая более безопасный вариант для пациентов с почечной недостаточностью (Garg et al., 2018). У пациентов с миокардитом, например, выздоравливающих от COVID-19, параметры релаксиметрии в сочетании с анализом деформации на основе отслеживания характеристик предоставляют всесторонние данные о функции миокарда и свойствах ткани (Gaizauskiene et al., 2024).

Релаксиметрия также играет ключевую роль в оценке железонакопления в сердце, особенно у пациентов с талассемией. Картирование T2* является золотым стандартом для выявления отложения железа в миокарде, руководствуя хелатной терапией и мониторингом ответа на лечение.

Гепатология

В гепатологии МРР используется для количественной оценки концентрации железа в печени и оценки фиброза. Картирование T2* широко применяется для количественной оценки железа в печени, с недавними руководствами, подчеркивающими важность методов на основе R2*, корректированных на факторы, влияющие на результаты (Hernando et al., 2023). Для оценки фиброза печени картирование T1 с использованием Gd-EOB-DTPA показало перспективы в оценке функции печени, с коэффициентом снижения T1 (rrT1) хорошо коррелирующим с тестами очистки индоцианин-зеленого, которые являются стандартными методами оценки функции печени (Río Bártulos et al., 2022).

Ортопедия

В ортопедии МРР применяется для оценки остеоартроза и других заболеваний суставов. Картирование T2 хряща суставов может выявлять ранние дегенеративные изменения, такие как увеличение содержания воды и дезорганизация коллагена, до того, как морфологические изменения становятся видимыми на традиционной МРТ (Carotti et al., 2018). Ранняя диагностика имеет решающее значение для своевременных вмешательств и мониторинга прогрессирования заболевания.

Обсуждение

Достижения в технологии МРР значительно повысили ее клиническую полезность, предоставляя более точные и воспроизводимые количественные данные. Однако остаются несколько вызовов. Стандартизация между различными МРТ-сканерами и производителями имеет решающее значение для широкого внедрения МРР в клиническую практику. Усилия, такие как те, что предпринимаются QIBA и использование стандартизированных фантомов, являются шагами в правильном направлении (Keenan et al., 2018).

Еще одним ограничением является сложность анализа данных, которая часто требует специализированного программного обеспечения и экспертизы. Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) может упростить этот процесс, сделав МРР более доступной для клиницистов. Алгоритмы ИИ могут автоматизировать генерацию карт релаксации и помогать в интерпретации данных, снижая нагрузку на радиологов и улучшая последовательность (Lu et al., 2023).

Будущие исследования должны сосредоточиться на валидации техник МРР в более крупных мультцентровых исследованиях для установления надежных референтных значений для различных тканей и патологий. Кроме того, изучение комбинации МРР с другими количественными методиками МРТ, такими как диффузионно-тензорная томография и перфузионная визуализация, может предоставить более всестороннюю оценку свойств тканей.

Ограничения

Ключевые ограничения включают:

• Гетерогенность данных: Различия в протоколах сканирования и оборудовании затрудняют сравнение результатов между исследованиями.

• Небольшой размер выборки: Многие исследования имеют ограниченное число участников, что снижает статистическую мощность.

• Отсутствие стандартизации: Различия в методиках картирования (например, MOLLI vs. SASHA) приводят к вариациям в значениях T1 и T2.

• Этические аспекты: Клинические исследования с использованием МРР требуют одобрения этических комитетов, что подтверждается в большинстве процитированных работ.

Перспективы

Потенциальные механизмы улучшения включают разработку автоматизированных алгоритмов ИИ для обработки данных и внедрение универсальных протоколов сканирования. Клиническое значение МРР заключается в ее способности предоставлять неинвазивные биомаркеры для ранней диагностики и мониторинга лечения, что может способствовать персонализированной медицине.

Заключение

Магнитно-резонансная релаксиметрия достигла значительного прогресса в последние годы, с технологическими инновациями, улучшающими ее точность и эффективность. Ее клинические приложения охватывают множество дисциплин, от неврологии до кардиологии и гепатологии, предоставляя новые данные о механизмах заболеваний и ответах на лечение. Хотя вызовы в стандартизации и анализе данных сохраняются, продолжающиеся исследования и интеграция ИИ обещают преодолеть эти препятствия. По мере того как МРР продолжает развиваться, она готова стать незаменимым инструментом в современной медицинской визуализации, предоставляя количественные, объективные измерения, дополняющие традиционные качественные оценки.