Визуализируя наше дыхание: ксенон улучшит качество МРТ

В Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Ефремова (НИИЭФА) разработали инновационную технологию и оборудование для получения гиперполяризованного ксенона‑129. Ученые уверены, что их изобретение коренным образом улучшит качество магнитно-резонансной томографии (МРТ) легких.

Поляризация протонов

МРТ широко применяется в медицинской визуализации. Основные преимущества метода — ​неинвазивный и неионизирующий характер, хорошее пространственное и временное разрешение, высокий контраст изображений.

Принцип действия МРТ основан на регистрации энергии протонов. Органы, наполненные воздухом (легкие, кишечник, желудок) и постоянно двигающиеся, на снимках отображаются менее четко, чем статичные с высоким содержанием воды (печень, почки, головной мозг). Это в первую очередь связано с низкой плотностью протонов (ядер водорода) во вдыхаемом воздухе и низкой степенью их поляризации по спину. Поэтому для функциональной диагностики легких врачи чаще назначают компьютерную томографию (КТ) или рентген. Контрастный агент в виде гиперполяризованных благородных газов значительно повысил бы поляризацию протонов, а значит, и качество МРТ легких. Предпочтителен 129‑й изотоп ксенона: он хорошо растворяется в тканях.

«Метод поляризации ксенона спин-обменной оптической накачкой в мире хорошо известен, но для его реализации нужно осуществить каскад тонких квантовых процессов в веществе, преодолеть проблему чистоты материалов и газов, разработать оптическое и мощное лазерное оборудование по специфическим требованиям, — ​рассказывает главный научный сотрудник научно-технического центра «Синтез» НИИЭФА Александр Павленко. — ​Наша команда, решив большую часть этих задач, впервые в России создала полномасштабный экспериментальный образец поляризатора — ​инструмента, который позволит в ближайшем будущем внедрить ксеноновую томографию в медицину».

Увеличить контраст

Александр Павленко объясняет суть метода спин-обменной оптической накачки: «В нагретой камере из боросиликатного стекла находятся пары щелочного металла рубидия и ксенон‑129 в смеси с азотом. Поляризация по спину ядер атомов ксенона — ​двухстадийный процесс. Узкополосное лазерное излучение с круговой поляризацией возбуждает валентный электрон атома рубидия, поляризуя его таким образом по спину, затем через столкновительные процессы с образованием короткоживущих молекул происходит передача спина ядрам атома ксенона».

Пациент в тоннеле томографа вдыхает примерно литр смеси гиперполяризованного ксенона‑129 с азотом, затем происходит короткое (15–20 секунд) сканирование. Оно выявляет области легкого, в которых отсутствует или затруднен газовый обмен. Гиперполяризованный ксенон‑129 позволяет увеличить контраст изображения в 100 тыс. раз и выявить на ранней стадии патологии, которых не видно на КТ и рентгене.

Ксеноновая МРТ поможет в борьбе с такими опасными распространенными заболеваниями, как хроническая обструктивная болезнь легких, астма, муковисцидоз, эмфизема легких, фиброз легочных тканей. Методика должна быть эффективна для выявления долгосрочных последствий COVID‑19. «Наша технология и оборудование помогут коренным образом улучшить качество функциональной диагностики легких, можно будет за короткое время отследить прохождение газа из легких в кровеносные сосуды и быстро выявить дефекты легочной структуры, препятствующие эффективному газообмену в тканях», — ​поясняет Александр Павленко.

Олег Бронов
Врач-рентгенолог высшей категории, кандидат медицинских наук, доцент кафедры лучевой диагностики с курсом клинической радиологии Института усовершенствования врачей, Национальный медико-хирургический центр им. Пирогова Минздрава РФ

— Основное ограничение традиционных методов визуализации, таких как компьютерная томография, — ​низкая чувствительность в выявлении функциональных нарушений, особенно на ранних стадиях заболевания.

С клинической точки зрения наиболее ценная возможность МРТ с гиперполяризованным ксеноном‑129 — ​визуализировать небольшие изменения газообмена в легких. Это актуально в контексте роста распространенности хронической обструктивной болезни легких, астмы, интерстициальных заболеваний легких, а также нарушений, вызванных последствиями COVID‑19. Короткое время обследования, многократное увеличение контрастности сигнала и отсутствие ионизирующего излучения делают метод перспективным для внедрения в медицинскую практику.

Гиперполяризованный ксенон‑129 позволяет оценить газообмен, что невозможно при стандартных исследованиях. Это открывает новые возможности для персонализированной медицины и мониторинга эффективности терапии. Своевременное обнаружение патологических изменений важно для профилактики осложнений.

Мировые исследования направлены на повышение чувствительности и точности функциональной визуализации легких, и разработка НИИЭФА идет в этом тренде, что подтверждает ее актуальность и востребованность в науке и медицине.

Максим Смолярчук
Практикующий врач-радиолог, рентгенолог, эксперт Медицинского радиологического научного центра им. Цыба

— Вокруг того, как лучевая диагностика может повлиять на организм человека, много мифов. Я расскажу о том, как смотрит на это наука.

Ультразвуковое исследование и МРТ не дают никакой лучевой нагрузки. УЗИ дает нагрузку разве что на перепонки, МРТ — ​это мощное магнитное поле, в котором есть электромагнитные импульсы, но это не ионизирующее излучение. Магнитно-резонансная томография может быть опасна, только если в организме человека есть магнитящиеся металлические элементы — ​металлические осколки, старые протезы с магнитящимися сталями (их не используют уже лет пятнадцать, и на каждый протез пациенту выдавали особый паспорт с описанием магнитных свойств). Все зубные протезы, сосудистые стенты и шунты — ​не магнитящиеся. В целом делать УЗИ и МРТ даже в один день совершенно неопасно.

Рентгеновское излучение — ​другой случай. На сегодня прямых доказательств негативного влияния лучевой нагрузки от рентгеновских методов на организм человека нет. Но учитывать это воздействие необходимо, и лишнему облучению тело лучше не подвергать.

Есть два медицинских направления, которые используют ионизирующее излучение: изотопные методы в ядерной медицине, радионуклидной диагностике и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и рентгенологические методы.

Нагрузка в радионуклидной диагностике (ее еще называют сцинтиграфией) — ​от 1 до 5 мЗв. Это небольшая лучевая нагрузка. Позитронно-эмиссионная томография — ​от 5 до 7 мЗв, нагрузка от радиофармпрепарата, который вводится в кровь, распределяется по всему организму и рассчитывается на все время, пока препарат в организме находится.

Самая серьезная нагрузка на организм — от компьютерной томографии. По сути, КТ — ​система из рентгеновской трубки, которая выдает нужные дозы ионизирующего излучения, и вращающихся по кольцу детекторов. Это своего рода кинопроектор: рентгеновская трубка — ​лампа, человек — ​пленка, которая формирует изображение, датчики — ​экран. Точность диагностики во многом зависит от мощности пучка гамма-излучения.

Есть миф, что чем больше срезов дает КТ, тем ниже лучевая нагрузка. Срезы — ​это количество кольцевых изображений, которые делают за один оборот томографа микродетекторы в большом детекторе. Рентгеновский луч проходит весь путь сквозь тело человека, а в широких детекторах, чтобы за один оборот получить изображение всего тела, приходится увеличивать нагрузку, чтобы добить до всех детекторов. Снизить лучевую нагрузку от КТ позволяют современные методы реконструкции изображения с использованием искусственного интеллекта. В России пока очень мало таких аппаратов, да и в мире тоже.

При комплексном исследовании трех зон, скажем, грудной клетки, брюшной полости и области малого таза, нагрузка составит 5 мЗв на один скан, то есть 15 мЗв. Стандартная КТ для онкологического пациента — ​три зоны, четыре фазы. Умножаем лучевую нагрузку и получаем от 40 до 45 мЗв в зависимости от размера тела. Если пересчитать на греи, то получим 0,07. В лучевой терапии зоны головы и шеи при онкологии пациент получает направленное облучение 30–70 Гр, эта доза с высокой вероятностью убивает опухолевую ткань. При этом вероятность возникновения вторичных радиоиндуцированных опухолей составляет около 1,5 %. Сравним 0,07 и 70 Гр — ​лучевая нагрузка при КТ трех зон исчезающе мала.

Кстати

Разработка НИИЭФА стала финалистом Всероссийского конкурса научных проектов «Технологии для здоровья человека» в номинации «Переход к персонализированной, предиктивной и профилактической медицине». На конкурс заявили свыше 140 проектов. Организаторы — ​Отделение медицинских наук РАН, Национальный НИИ общественного здоровья им. Семашко, НИИ организации здравоохранения и медицинского менеджмента и Всероссийское общество изобретателей и рационализаторов.