ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ЖИРА В ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА ПО ДАННЫМ ЯМР

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ЖИРА В ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА ПО ДАННЫМ ЯМР
Н.В. Анисимов1, Е.И. Шаламова1, К.Л. Волкова1, М.В. Гуляев1, А.А. Самойленко2
1
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
2
Институт химической физики имени Н. Н. Семенова РАН
[email protected]
Описаны эксперименты по измерению содержания жировой ткани в теле человека путем регистрации
спектров ЯМР на 0.5 Тл магнитно-резонансном томографе. Спектры снимались от отдельных частей
тела, а затем суммировались. Для эффективного ограничения сканируемого объема применялись методы
локальной спектроскопии с использованием неоднородных (градиентных) полей. В суммарном спектре
определялись пики воды и жира, анализ которых давал информацию о содержании жира в теле человека.
Спектральные данные сопоставлялись со значениями средней плотности тела для каждого объекта
исследований, а также объемом жира, определяемого по его МРТ изображениям. Выявлена корреляция
между указанными данными. Отмечены проблемы и перспективы метода.
Информация о состоянии и объеме жировой ткани в теле человека представляет
интерес для медицинской диагностики, поскольку позволяет отслеживать динамику
обменных процессов в его организме. Помимо антропометрических методов, которые
фиксируют лишь отклонения от эмпирически выявленного стандарта, все большее
распространение получают методы, дающие информацию о биохимических и
анатомических особенностях жировой ткани в организме. Для этой цели хорошо
зарекомендовали методы, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса
(ЯМР). Это, в первую очередь, спектроскопия ЯМР высокого разрешения, а также
магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ позволяет неинвазивным способом
получать изображения, на которых можно выделить, отсегментировать и подсчитать
объем тканей чьи характеристики - хим. сдвиговые или релаксационные, близки к
жировой. Для подобных измерений необходимо провести сканирование всего тела
человека, которое в настоящее время производится путем съемки отдельных его
сегментов с перемещением объекта исследования через изоцентр магнита, где
однородность магнитного поля наилучшая. Проблемой МРТ является сравнительно
большое время сканирования – порядка одной и более минут на один режим
сканирования. Обычно для идентификации релаксационных характеристик тканей при
рутинном исследовании проводятся два и более режима сканирования. Если же
сканируется все тело, то эти режимы применяются для каждого фрагмента тела с
соответствующим увеличением общего времени исследования.
В связи с этим представляют интерес методы экспресс-анализа – например,
метод ЯМР спектроскопии всего тела, поскольку съемку спектра от одного фрагмента
тела можно провести за одну и даже менее секунд. Вариант такого метода предложен в
работе [1], где описаны эксперименты с малыми лабораторными животными - мышами.
В этой работе была выявлена корреляция между соотношением высоты пиков воды и
жира в спектре всего тела мыши с общим количеством жира в теле животного. Эти
выводы основаны на сопоставлении спектральных данных с результатами т.н.
каркасного анализа, основанного на препарировании животного с последующим
механическим разделением его тела на жировую, мышечную и другую ткань.
Поскольку протонный спектр ЯМР всего тела позвоночных животных содержит
отчетливо выраженные пики воды и жира, разнесенные на 3.5 м.д., то есть веские
основания считать, что подобные спектральные измерения могут оказаться
информативными и для человека.
При исследовании человека проблемой является сложность получения спектра
ЯМР всего тела, поскольку его размеры, в отличие от мыши, существенно больше
размера однородности магнитного поля. Поэтому измерение спектра ЯМР всего тела
человека возможно не сразу, как для мыши, а лишь по частям, причем каждую надо
сканировать в пределах одной и той же зоны с хорошей однородностью поля, а потому
через эту зону надо постепенно провести весь объект исследования.
569
Мы провели подобные измерения на 0.5 Тл томографе Bruker Tomikon S50.
Измерялись интенсивности пиков воды IW и жира IF. Поскольку каркасный анализ для
человека неприемлем, то спектральные измерения сопоставлялись с данными о средней
плотности тела ρ=m/V, где V – объем тела, а m – его масса, определение которых
возможно простыми средствами, а также данными МРТ. С помощью МРТ
идентифицировались анатомические структуры, измерялся объем абдоминального и
подкожного жира VF, а также объем тела V [2].
Сканируемая зона ограничивалась срезом толщиной 20 см. Ее плоскость
ориентировалась перпендикулярно направлению перемещения объекта. Объект
исследования размещался в обычном для МРТ горизонтальном положении на
передвижной платформе, которая ступенчато перемещалась на расстояние, равное
толщине слоя. Это позволило провести все тело через изоцентр магнита, где магнитное
поле наиболее однородно, и для всех частей тела (их число для взрослого человека
варьировалось от 8 до 10) произвести съемку локального спектра ЯМР.
Ограничение эффективного объема сканирования срезом обеспечивалось
обычным для МРТ методом - синхронно с возбуждающими РЧ импульсами
прикладывалось градиентное поле, направленное перпендикулярно плоскости среза.
Для контроля локализации спектров были предварительно получены
односрезовые (толщиной 20 см) изображения в трех ортогональных плоскостях. Они
были использованы для грубой оценки объема тела V [2].
Для ряда испытуемых также были проведены измерения содержания жировой
ткани по анализу МРТ-изображений. Были получены T1- и Т2-FSE взвешенные
изображения (TR/TE=600/15 и 5800/100 мс, соответственно) всего тела путём
ступенчатого перемещения через зону однородности поля магнита так, как описано
выше. Проводилось 26-срезовое сканирование с разрешением 2.2×2.5 мм и толщиной
срезов 10 мм. Протоколы МРТ сканирования были оптимизированы так, чтобы общее
время сканирования не превышало 30-40 мин.
Жировые структуры определялись на МРТ изображениях визуально путём
сопоставления с анатомическими атласами. Типичным признаком жировой ткани было
повышение МР-сигнала на T1- и T2-FSE- взвешенных изображениях. При анализе
последних из рассмотрения выводился ряд чётко идентифицируемых анатомических
структур, также дающих на этих изображениях мощный МР-сигнал - спинномозговая
жидкость, мочевой пузырь, печень, почки, структуры мозга и др.
В табл. 1 приведены данные измерений для 8 испытуемых.
Табл. 1.
№ исп.
ρ (кг/м3)
IF/IW
VF/V
1
960
0.97
-
2
985
0.84
0.46
3
997
0.93
0.42
4
1000
0.77
-
5
1014
0.63
0.32
6
1016
0.61
-
7
1045
0.31
-
8
1175
0.42*
0.27
(*) –пик жира отчетливо не дифференцировался на фоне широкого пика воды.
В целом, прослеживается линейная зависимость между плотностью тела и
соотношением F/W, которая согласуется с интуитивным предположением о том,
средняя плотность тела должна уменьшаться по мере возрастания содержания жира в
теле объекта. Т.е. для человека имеет место корреляция между соотношением пиков от
сигналов воды и жира в спектре ЯМР всего тела и реальным содержанием жира в этом
теле. Это согласуется с результатами работы [1], где подобная корреляция была
выявлена в экспериментах с малыми животными.
Недостаток статистического материала не позволяет надёжно отобразить
разброс данных и разделить вклады погрешностей, связанных со спецификой
измерений и вариабельностью параметров исследуемых объектов.
570
Особенно это относится к спектральным измерениям. В работе [1] спектральные
измерения были проведены в сильном поле - 4.7 Тл. Там пики воды и жира в спектре
ЯМР хорошо дифференцировались, и измерения сводились к оценке площадей линий
ЯМР (интегралов). В нашем случае поле сравнительно мало – 0.5 Тл, поэтому
перекрывание линий ЯМР оказывается значительным. В принципе, интегральные
вклады от линий воды и жира можно выделить по отдельности, если формы линий
известны. Но отсутствие надежной информации о формах линий существенно
затрудняет решение этой задачи. Из-за этого пришлось ограничиться оценкой не
интегралов, а интенсивностей пиков в зоне хим. сдвигов, соответствующих воде и
жиру. Фактически, в таблице 1 приведены лишь верхние оценки для отношения IF/IW. В
связи с этим можно отметить, что в слабых полях информативность данного способа
измерений тем ниже, чем ниже содержание жира у исследуемых объектов. Проще
говоря, для субтильных испытуемых.
Поэтому данный метод оценки содержания жира в теле человека целесообразнее
проводить на томографах с возможно более мощными магнитами – от 1.5 Тл и выше. В
этом случае спектроскопический метод может оказаться более востребованным по
сравнению с МРТ, поскольку оценка содержания жировой ткани в теле человека может
быть проведена за гораздо более короткое время. При этом точность измерений зависит
лишь от того, насколько близок профиль возбуждения среза к прямоугольному. Или,
грубо говоря, близок к прямоугольному спектр РЧ импульса при возбуждении среза.
1.
Mystkowski P., Shankland E., et al. Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord., 2000, 24(6),
p.719-724.
2.
Анисимов Н.В., Батова С.С., Пирогов Ю.А. Магнитно-резонансная томография:
управление контрастом и междисциплинарные приложения / под ред. Ю.А.Пирогова. –
М.; МАКС-Пресс, 2013. – 240 с.
ASSESSMENT OF FAT IN THE HUMAN BODY BY NMR
Anisimov N.V.1, Shalamova E.I.1, Volkova K.L.1, Gulyaev M.V.1, Samoylenko A.A.2
1
Lomonosov Moscow State University, Moscow
2
Semenov Institute of Chemical Physics, Moscow
Measurements of fat in the human body by NMR are discussed. The NMR spectra were received from separate
parts of the body by a 0.5 T MR scanner, and then summed. Local spectroscopy methods using inhomogeneous
(gradient) fields were applied to control the scanned volume. Peaks of water and fat were defined in the resultant
spectrum, the analysis of which gave information about the content of fat in the human body. Spectral data were
compared with the average density of the body for each patient and the volume of fat revealed by his MR
images. The correlation between these data is noted.
571