5.2 Исследование эффекта резонансного насыщения в модельных образцах молекулярно-клеточных структур, содержащих наночастицы оксида железа

Теоретическое изучение эффекта внерезонансного насыщения (п. 1.3) в молекулярно-клеточных структурах, содержащих нанодисперсные частицы оксида железа, показало, метод внерезонансного насыщения, применяемый для SPIO наночастиц, по своей технической реализации в случае слабых магнитных полей идентичен методу внерезонансного насыщения, применяемого для наблюдения эффекта переноса ядерной намагниченности. Выполненные в п. 2.1 экспериментальные исследования эффекта переноса ядерной намагниченности в модельных образцах бионаноструктур показали также эффективность и эквивалентность двух методов переноса ядерной намагниченности: внерезонансного и резонансного насыщения. Поэтому с целью проверки эффективности метода резонансного насыщения для контрастирования МР изображений молекулярно-клеточных структур, содержащих нанодисперсные частицы оксида железа, нами были проведены экспериментальные исследования эффекта резонансного насыщения на модельных образцах водных растворов и гелей агар-агара разной массовой концентрации с добавлением суперпарамагнитных наночастиц оксида железа с различными средними эффективными размерами и концентрациями.

Хотя и теоретические модели переноса спиновой ядерной намагниченности в присутствии SPIO наночастиц и без них существенно отличаются друг от друга вследствие разных механизмов переноса (п. 1.1 и 1.3), но для количественной оценки эффекта переноса намагниченности можно использовать коэффициент переноса намагниченности (КПН), вычисляемый по формуле (8). По смыслу этот коэффициент аналогичен коэффициенту ВРН, определяемому в методе внерезонансного насыщения для SPIO наночастиц, что дает возможность сравнивать эффективность двух методов насыщения. Значения КПН являются важным источником диагностической информации при патологиях головного мозга, в частности при опухолях, и демиелинизирующих заболеваниях. Существенное затруднение в количественной МРТ с переносом намагниченности обусловлено тем, что величины КПН в значительной степени подвержены влиянию аппаратурных факторов (параметры импульсной последовательности, мощность и длительность импульсов РЧ насыщения).

Значение КПН даёт информацию о полном насыщении, с учётом прямого насыщения протонов свободной воды в образце. Чем меньше прямое насыщение, тем больший вклад в параметр КПН вносит перенос ядерной намагниченности. Полностью исключить прямое насыщение свободных протонов (узкая линия спектра) биологических образцов в эксперименте невозможно, в том числе и во время томографических исследований. Важно, чтобы относительная доля переноса ядерной намагниченности в КПН была бы максимальна. По мере увеличения вклада переноса ядерной поляризации, изображения, полученные с помощью импульсной последовательности с переносом намагниченности, будут становиться более взвешенными по протонной плотности макромолекул в тканях. Поэтому параметры эксперимента, как и в п.2.1, подбирались из соображений получения максимального эффекта переноса ядерной намагниченности с учётом требования минимизации прямого насыщения.

Для оценки частичного прямого насыщения (релаксационный вклад без учёта неоднородности поля) были построены кривые насыщения за счёт релаксации для модельных образцов 8% гелей агара с добавлением суперпарамагнитных наночастиц оксида железа в концентрации 1 миллимоль/литр при различных значениях времени обмена ядерной намагниченностью (рис.48). В соответствии с алгоритмом, изложенным в п.2.1, было проведено моделирование кривых насыщения для указанных выше образцов и параметров импульсной последовательности (рис.49). Из сравнения экспериментальных кривых с модельными графиками можно сделать вывод, что оптимальным временем обмена ядерной намагниченностью является t_exch1 = 5 мс, а оптимальное необходимое для установления насыщения количество насыщающих импульсов n = 40.

Рисунок 48 – Значение максимума амплитуды ССИ 8% агара с добавлением суперпарамагнитных наночастиц оксида железа в зависимости от количества насыщающих импульсов и времени обмена t_exch1=15 мкс…50 мс.

Рисунок 49 – Результат моделирования: значение максимума амплитуды ССИ 8% агара с добавлением суперпарамагнитных наночастиц оксида железа в зависимости от количества насыщающих импульсов и параметра импульсной последовательности t_exch1=15 мкс…50 мс.

В таблице 6 показаны полученные в экспериментах коэффициенты переноса ядерной намагниченности (включая прямое насыщение) для различных модельных образцов с суперпарамагнитными наночастицами оксида железа и без них в зависимости от количества насыщающих импульсов.

Параметры насыщающей последовательности для всех образцов были одинаковыми:t_bp= 15 мкс,t_exch1= 5 мс. Длительности блоков биномиальных насыщающих импульсов равнялись 1 мкс и 3 мкс, что соответствует углам поворота 41° и 123°.

Из таблицы 6 видно, что добавление суперпарамагнитных наночастиц оксида железа уменьшает эффективный перенос намагниченности, что можно объяснить более короткими временами релаксации свободной воды в биопрепарате. Из-за уменьшения разницы в отличиях времён спин-спиновой релаксации импульсы становятся менее селективными. В дополнении к этой причине сокращения времени спин-решёточной релаксации узкой компоненты по сравнению с препаратами без наночастиц имеет место более быстрая продольная релаксация, что вуалирует эффект переноса намагниченности. Однако следует отметить, что при этом уменьшается и время достижения стационарного состояния, что можно использовать для ускорения получения МР-изображений и уменьшения поглощаемой энергии во время исследований.

Таблица 6. Сравнительная таблица коэффициентов переноса намагниченности КПН (включая прямое насыщение) для различных модельных образцов с суперпарамагнитными наночастицами оксида железа и без них в зависимости от количества насыщающих импульсов ( t_bp = 15 мкс, t_exch1 =5 мс).

n (число насыщающих импульсов) КПН	5	10	20	40	80	100	140
Agar 4%	0,14	0,30	0,47	0,61	0,69	0,72	0,71
Agar 8%	0,25	0,43	0,55	0,69	0,76	0,76	−
Agar 8% + Fe3O4	0,21	0,34	0,48	0,52	−	−	−
Вода	0,07	0,09	0,03	−	−	−	−
Вода+ Fe3O4	0,08	0,07	0,07	0,09	−	−	−
Рисунок 50 – Значение коэффициента переноса намагниченности для образцов 6% агара с добавлением нанодисперсных частиц оксида железа первой фракции после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от времени обмена (количество насыщающих импульсов n = 40).
Рисунок 51 – Значение коэффициента переноса намагниченности для образцов 6% агара с добавлением нанодисперсных частиц оксида железа четвертой фракции после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от времени обмена (количество насыщающих импульсов n = 40).

Рисунок 52 – Зависимость коэффициента переноса намагниченности для 6% геля агар-агара и воды с добавлением наночастиц оксида железа после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от времени обмена (количество насыщающих импульсов n = 40).

Рисунок 53 – Зависимость коэффициента переноса намагниченности для 6% геля агар-агара и воды с добавлением наночастиц оксида железа после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от времени обмена (количество насыщающих импульсов n = 40).

Полученные экспериментальные зависимости коэффициента переноса намагниченности протонов свободной воды в образцах 6% геля агара с добавлением наночастиц оксида железа в различной концентрации (0,125; 0,250; 0,500 и 1,000 мМоль/литр) от времени обмена ядерной намагниченностью (рис.50-53) показывают, что оптимальное время обмена (максимальный эффект уменьшения намагниченности за счёт переноса поляризации от макромолекул) уменьшается с увеличением концентрации наночастиц (рис.54) и зависит от среднего эффективного диаметра наночастиц оксида железа. Средний эффективный диаметр наночастиц оксида железа для 1-ой фракции составлял порядка 30 нм, для 4-ой фракции – порядка 60 нм. Причем уменьшение оптимального времени обмена ядерной намагниченностью при увеличении концентрации для наночастиц 1-ой фракции носит более резко выраженный характер, чем для наночастиц 4-ой фракции. Таким образом, перенос намагниченности становится более эффективным уже на малых временах обмена, что позволяет уменьшить длительность импульсной последовательности.

Рисунок 54 – Значение времени обмена, при котором значение коэффициента переноса намагниченности является максимальным для образцов 6% агара с добавлением нанодисперсных частиц оксида железа 4-ой и 1-ой фракций после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от концентрации наночастиц (количество насыщающих импульсов n = 40).

Также наблюдается зависимость прямого насыщения от концентрации наночастиц оксида железа (вследствие уменьшения времени спин-спиновой релаксации протонов свободной воды с увеличением концентрации наночастиц растёт величина прямого насыщения).

Максимальное значение КПН для оптимального времени обмена линейно возрастает при увеличении концентрации наночастиц оксида железа (рис.55), причем скорость возрастания КПН_maxдля 1-ой и 4- й фракций одинакова.

Рисунок 55 – Значение максимальной величины коэффициента переноса намагниченности для образцов 6% агара с добавлением нанодисперсных частиц оксида железа 4-ой и 1-ой фракций после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от концентрации наночастиц (количество насыщающих импульсов n = 40).

Полученные экспериментальные зависимости коэффициента переноса намагниченности от концентрации наночастиц оксида железа разных фракций (рис.56 и 57) для образцов 6% геля агар-агара при различных временах обмена ядерной намагниченностью имеют сложный характер.

Рисунок 56 – Значение коэффициента переноса намагниченности для образцов 6% геля агар-агара с добавлением нанодисперсных частиц оксида железа 1-ой фракции после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от концентрации наночастиц и времени обмена (количество насыщающих импульсов n = 40).

Рисунок 57 – Значение коэффициента переноса намагниченности для образцов 6% геля агар-агара с добавлением нанодисперсных частиц оксида железа 4-ой фракции после воздействия биномиальной насыщающей последовательности в зависимости от концентрации наночастиц и времени обмена (количество насыщающих импульсов n = 40).

При малых и нулевой концентрациях наночастиц эффект переноса намагниченности мал при небольшом времени обмена (до 2 мс) и становится наиболее заметным при бóльших временах - около 6 мс и более. С увеличением же концентрации значение коэффициента переноса намагниченности становится наиболее значительным при маньших временах обмена (менее 2 мс), в то время как при времени обмена порядка 6 мс его величина уменьшается почти вдвое.

Таким образом, наблюдаемый коэффициент переноса намагниченности сложным образом зависит от многих факторов, таких как концентрация и размеры нанодисперсных частиц оксида железа, время обмена, состояния объекта (гель, жидкость, суспензия и пр.), величины постоянного магнитного поля и его однородности и т.д.

Тем не менее, из рассмотрения полученных зависимостей следует практический вывод, что обмен между протонами связанной фракции и протонами свободной воды усиливается при увеличении концентрации наночастиц. Однако, при этом следует контролировать время обмена, так как при увеличении концентрации наночастиц ускоряется релаксация протонов свободной воды, что приводит к ослаблению эффекта переноса. Соблюдение обоих условий позволит усилить контраст изображений в МРТ путем переноса ядерной спиновой намагниченности при использовании меньшего числа насыщающих импульсов,и, следовательно, сократить время обследования.

а)