В Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры имени Ефремова (НИИЭФА) разработали инновационную технологию и оборудование для получения гиперполяризованного ксенона‑129. Ученые уверены, что их изобретение коренным образом улучшит качество магнитно-резонансной томографии легких.
Магнитно-резонансная томография широко применяется в медицинской визуализации. Основными преимуществами метода являются его неинвазивный и неионизирующий характер, хорошее пространственное и временное разрешение, высокий контраст изображений.
Принцип действия магнитно-резонансной томографии 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 или рентген. Контрастный агент в виде гиперполяризованных благородных газов значительно повысил бы поляризацию протонов и качество магнитно-резонансной томографии легких. Предпочтителен 129‑й изотоп ксенона, так как 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.
Главный научный сотрудник научно-технического центра "Синтез" НИИЭФА Александр Павленко, рассказал, что команда ученых, решив большую часть этих задач, впервые в России создала полномасштабный экспериментальный образец поляризатора, который позволит в ближайшем будущем внедрить ксеноновую томографию в медицину.
Суть метода спин-обменной оптической накачки заключается в том, что в нагретой камере из боросиликатного стекла находятся пары щелочного металла рубидия и ксенон‑129 в смеси с азотом. Поляризация по спину ядер атомов ксенона представляет собой двухстадийный процесс. Узкополосное лазерное излучение с круговой поляризацией возбуждает валентный электрон атома рубидия, поляризуя его 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 сканирование, занимающее 15-20 секунд. Оно выявляет области легкого, в которых отсутствует или затруднен газовый обмен. Гиперполяризованный ксенон‑129 позволяет увеличить контраст изображения в 100 тысяч раз и выявить на ранней стадии патологии, которых не видно на компьютерной томографии и рентгене.
Ксеноновая магнитно-резонансная томография 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.
Эти технологии 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.
Олег Бронов, врач-рентгенолог высшей категории, кандидат медицинских наук, доцент кафедры лучевой диагностики с курсом клинической радиологии Института усовершенствования врачей из Национального медико-хирургического центра имени Пирогова Министерства здравоохранения России, подчеркнул, что основное ограничение таких методов визуализации, как компьютерная томография, заключается в низкой чувствительности при выявлении функциональных нарушений, особенно на ранних стадиях заболевания.
Наиболее ценной возможностью магнитно-резонансной томографии с гиперполяризованным ксеноном‑129 является визуализация небольших изменений 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 имени Цыба, развеял мифы вокруг того, как лучевая диагностика может повлиять на организм человека, и рассказал, как смотрит на это наука.
Ультразвуковое исследование и магнитно-резонансная томография не дают никакой лучевой нагрузки. Ультразвуковое исследование дает нагрузку разве что на перепонки. Магнитно-резонансная томография представляет собой мощное магнитное поле, в котором есть электромагнитные импульсы, но не ионизирующее излучение. Магнитно-резонансная томография может быть опасна, только если в организме человека есть магнитящиеся металлические элементы, такие как металлические осколки, старые протезы с магнитящимися сталями. Их не используют уже пятнадцать лет, и на каждый протез пациенту выдавали особый паспорт с описанием магнитных свойств. Все зубные протезы, сосудистые стенты и шунты − не магнитящиеся. В целом делать ультразвуковое исследование и магнитно-резонансную томографию даже в один день совершенно безопасно.
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 и рентгенологические методы.
Нагрузка в радионуклидной диагностике, которую еще называют сцинтиграфией, составляет от 1 до 5 мЗв. Это небольшая лучевая нагрузка. Позитронно-эмиссионная томография насчитывает от 5 до 7 мЗв. Нагрузка от радиофармпрепарата, который вводится в кровь, распределяется по всему организму и рассчитывается на все время, пока препарат находится в организме.
Самая серьезная нагрузка на организм исходит от компьютерной томографии. Это система из рентгеновской трубки, которая выдает нужные дозы ионизирующего излучения, и вращающихся по кольцу детекторов. Она похожа на кинопроектор, где 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 компьютерная томография, 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 компьютерной томографии 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 компьютерная томография для онкологического пациента включает 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 компьютерной томографии трех зон исчезающе мала.
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. Организаторами выступили Отделение медицинских наук РАН, Национальный НИИ общественного здоровья имени Семашко, НИИ организации здравоохранения и медицинского менеджмента и Всероссийское общество изобретателей и рационализаторов.
