Обработка изображений МРТ для количественной оценки концентрации Gd-содержащего контрастного агента in vivo методом Т1 -релаксометрии

Сегодня одним из основных способов для диагностики заболеваний является магнитно-резонансная томография (МРТ), причем при проведении более половины исследований используются контрастные вещества (КВ) на основе гадолиния (Gd) для улучшения изображений. Однако по полученным снимкам можно проводить только визуальную оценку распределения Gd в тканях, т.е. отсутствует возможность изучения его количественного распределения.Но благодаря применению определённых клинических протоколов при проведении МРТ исследований и последующей математической обработке значений интенсивности сигнала каждого пикселя нативные изображения могут быть переведены в карту концентраций Gd. Таким образом, значение интенсивности сигнала будет соответствовать значению концентрации Gd в данной области. Такие карты концентраций дают возможность оценивать биораспределение КВ в тканях, например, находить область максимального накопления КВ, тем самым расширяя спектр диагностических возможностей МРТ.

Сегодня одним из перспективных направлений диагностических исследований является молекулярная визуализация, которая позволяет визуализировать анатомию человека или животного, охарактеризовать и провести количественную оценку биологических процессов на клеточном или молекулярном уровне, не нарушая целостность живого организма (in vivo). Одним из способов проведения молекулярной визуализации является магнитно-резонансная томография (МРТ).

МРТ - это метод медицинской визуализации, используемый для отображения строения и физиологических процессов тела. Для этих целей томографы МРТ используют сильные постоянные магнитные поля, градиенты магнитного поля и радиоволны. Для получения изображения посылается радиочастотный (РЧ) импульс, который воздействует на протоны тканей, выводя их из теплового равновесия. Когда РЧ импульс заканчивается, протоны начинают релаксировать, т.е. возвращаться в исходное состояние, и тем самым испускают ответный сигнал, который и регистрируется. Величина зарегистрированного сигнала зависит от свойств тканей, влияющих на их релаксационные процессы. В основе релаксации лежат два механизма – продольная и поперечная релаксации, которые количественно характеризуются продольным (Т1) и поперечным (Т2) временами релаксации соответственно.

Для повышения контрастности изображений применяют Gd – содержащие контрастные вещества, принцип действия которых основан на изменении времени продольной (Т1) релаксации в тех областях, где накапливается КВ. 

Из-за физических принципов, используемых для получения МР изображений, интенсивность регистрируемого сигнала является сложной функцией, зависящей от характеристик тканей (например, протонная плотность, время продольной (Т1) и поперечной (Т2) релаксации), характеристик томографа (например, напряженность магнитного поля), параметров используемой импульсной последовательности (время повторения (TR), время эхо (ТЕ), угол переворота (θ)). Из-за этого, как правило, проводится только визуальная оценка МР изображений, однако при применении протоколов исследований, включающих определенные импульсные последовательности (например, SPGR, IR), и последующей математической обработке полученных сканов становится возможно проведение количественного анализа данных по МР изображениям.

Целью данного проекта являлось написание самостоятельной программы, которая могла бы работать без среды MATLAB и обрабатывать МР изображения для создания по ним карты концентраций Gd.

Для реализации данной цели была написана программа в среде MATLAB с подключенным модулем Statistical Parametric Mapping (SPM12), с помощью которого считываются изображения, переводятся в матрицу чисел и сохраняется карта концентраций Gd в виде изображения.

Для работы с программой был создан графический интерфейс, представленный на рисунке 1. Также программа с помощью MATLAB Compiler была извлечена из среды MATLAB, следовательно, может устанавливаться на любой компьютер как отдельное приложение. 

                                                   Рисунок 1 - Интерфейс программы

Получение карты концентраций Gd по МР изображениям представляет собой три последовательных этапа. Cхема данных этапов представлена на рисунке 2 с использованием реальных МР изображений лабораторной мыши, для которой была получена карта концентраций Gd in vivo:

1 этап: Получение МР изображений объекта исследования при использовании протокола исследования с последовательностью импульсов SPGR или FLASH с постоянным временем повторения (TR примерно 16 мс), временем эха (ТЕ примерно 2 мс) и малыми углами переворота (θ = 3 и 16^о). Данные последовательности позволяют минимизировать число параметров, от которых зависит интенсивность сигнала пикселя изображения. При таком выборе интенсивность сигнала (S_θ ) является функцией только угла переворота (θ) и временем продольной релаксации (Т1), которое представляет собой непосредственную характеристику ткани и распределённых в ней веществ, в том числе Gd.

Уравнение интенсивности сигнала:

                                                                                                        (1)

2 этап: Полученные МР изображения обрабатывают  алгоритмом, называемым DESPOT1 (Driven Equilibrium Single Pulse Observation of T1), который путем параметризации представляет уравнение (1) в виде линейной функции:

где                                                                                           (2)

Тогда если имеет два значения сигнала для одного и того же пикселя, полученного при разных углах переворота, то можно найти коэффициенты линейного уравнения a и b, причем из уравнения (1) получается, что

                                                                                  (3)

Следовательно, зная тангенс угла наклона прямой, можно найти значение T1 – прямую характеристику ткани с или без введенного Gd-содрежащего КВ.

                                                                                                                               (4)

3 этап: Использование принципа аддитивности скоростей релаксации. При введении КВ происходит изменение скорости продольной релаксации (R1 = 1/T1), причем прямо пропорционально концентрации введенного КВ: 

                                                                                                             (5)

где 1/Т₁ и 1/Т_1,КА (1/c) – скорости продольной релаксации до и после введения контраста, соответственно, r₁ (л/ммоль*с) – релаксивность Gd в данном веществе, а С_Gd (ммоль/л) – концентрация гадолиния. 

Таким образом, зная время продольной релаксации до и после введения КВ, можно найти концентрацию Gd с учетом поправочного коэффициента (r₁- релаксивности Gd), который можно определить, проведя эксперимент на фантомах с заранее заданной концентрацией Gd.

                                                 Рисунок 2 - Схема работы программы