способ объемной визуализации неметаллических объектов методом магнитно-резонансной томографии

Формула изобретения

Способ объемной визуализации неметаллических объектов методом магнитно-резонансной томографии (МРТ), согласно которому возбуждают сигналы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и осуществляют построение 3D-образа исследуемого объекта с использованием водородосодержащего вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, по которому визуализируют поверхность исследуемого объекта путем регистрации сигналов от этих ядер методом МРТ, отличающийся тем, что сигналы ЯМР возбуждают в контактирующем с исследуемым объектом водородсодержащем веществе, которое размещают на поверхности визуализируемого объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования различных свойств материалов с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ) путем объемной визуализации поверхностной структуры (как внешней, так и внутренней) различных неметаллических предметов и изделий, включая бытовые изделия, предметы искусства, археологические и палеонтологические материалы, а также для неразрушающего контроля и объемного моделирования различных изделий.

Визуализация внешней поверхностной структуры многих объектов обычно не представляет проблем - достаточно сделать нужное число фотографий предмета с разными ракурсами. Для визуализации структуры внутренней поверхности оптическими методами возникает не всегда преодолимая проблема размещения излучателя и приемника, способного фиксировать отраженный от внутренней поверхности сигнал. В некоторых случаях определить структуру этой поверхности можно измеряя степень поглощения объектом рентгеновских лучей при разных ракурсах объекта.

Если же материал, из которого состоит исследуемый объект, содержит водород, а следовательно, протоны, которые обладают магнитным моментом, то для его исследования можно использовать методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), где регистрируется резонансное взаимодействие имеющих магнитный момент атомных ядер, помещенных в постоянное магнитное поле, с радиочастотным (РЧ) полем. С помощью неоднородных магнитных полей можно задать пространственное кодирование резонансных частот ЯМР и методами магнитно-резонансной томографии получить объемное (3D) изображение объекта. Этот неинвазивный, безопасный и высокоинформативный метод успешно применяется в медицине и биологии для анатомических и функциональных исследований [см. Анисимов Н.В., Пирогов Ю.А., Губский Л.В., Гладун В.В. Управление контрастом и информационные технологии в магнитно-резонансной томографии / Под ред. Пирогова Ю.А. - М.: Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, 2005 г.]

Наиболее близким техническим решением, принятым нами за прототип, является способ объемной визуализации неметаллических объектов методом МРТ, применяемый при исследовании легких (см. M.S.Albert, G.D.Cates, В.Driehuys, W.Happer, B.Saam, C.S.Springer Jr., A.Wishnia "Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized ¹²⁹Xe." Nature 370:199-201 (1994), или современные обзоры: http://www.mmrrcc.upenn.edu/research/hyper.html, то же, материалы на русском языке - http://uc.jinr.ru/libraryplis.htm), согласно которому осуществляют построение 3D-образа исследуемого объекта с использованием вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, по которому визуализируют поверхность исследуемого объекта путем регистрации сигналов от этих ядер методом МРТ, при этом в качестве упомянутого вещества используют сильно поляризованный инертный газ (гелий или ксенон, предварительно специальным образом подготовленный), вводимый в низкой (безопасной для пациента) концентрации.

Современные МР-томографы в основном ориентированы на регистрацию сигналов от протонов. Но существуют объекты, для которых в их исходном состоянии невозможна 3D-реконструкция с помощью протонной МРТ в связи с отсутствием водорода в их химической структуре. Это различные предметы и изделия из стекла и керамики, кости и камня. Большой интерес представляет объемная визуализация внутренней структуры этих объектов, особенно для предметов искусства, археологических и палеонтологических материалов.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования способа объемной визуализации неметаллических объектов методом МРТ, при котором расширяются технологические возможности метода путем обеспечения возможности объемной визуализации неметаллических объектов при отсутствии водорода в их химической структуре, а также в случае, если сигнал ЯМР от имеющихся в исследуемом объекте протонов слишком мал из-за их низкого содержания или исследуемый объект имеет жесткую структуру, для которой регистрация сигнала ЯМР, включая протонный, затруднена из-за слишком быстрого затухания этого сигнала вследствие очень короткого времени ядерной магнитной релаксации, при этом возможно получение качественных объемных изображений, отображающих структуру как внешней, так и внутренней поверхностей изделия.

Для решения этой задачи в способе объемной визуализации неметаллических объектов методом магнитно-резонансной томографии (МРТ), согласно которому осуществляют построение 3D-образа исследуемого объекта с использованием контактирующего с исследуемым объектом вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, и визуализируют поверхность исследуемого объекта путем регистрации сигналов от этих ядер методом МРТ, согласно изобретению в качестве вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, используют вещество, содержащее водород, при этом вещество, содержащее водород, используют в жидком виде, а в качестве вещества, содержащего водород, по первому варианту реализации способа используют маслянистую жидкость или маслянистую эмульсию, при этом ее наносят равномерно тонким слоем на поверхность исследуемого объекта, по второму варианту в качестве вещества, содержащего водород, используют воду, или спирт, или жидкое масло, при этом исследуемый объект погружают в это вещество.

Причинно-следственная связь между признаками предлагаемой совокупности и достигаемыми техническими результатами от ее использования состоит в следующем.

Вследствие того, что в качестве вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, используют вещество, содержащее водород, контактирующее с исследуемым объектом, 3D образ этого вещества будет как бы слепком исследуемого объекта. В результате, объектами 3D-визуализации с отображением методом МРТ структуры как внешней, так и внутренней поверхностей изделия могут быть не только объекты, содержащие воду или водород, а значит протоны, но и предметы, вовсе не содержащие протонов - стекло, керамика, камни, кости или, вследствие твердотельной структуры исследуемого объекта, имеющие слишком короткое время релаксации протонов - полимеры, пластмассы. Суть изобретения сводится к тому, чтобы вместо регистрации МР-сигнала от исследуемого объекта, недоступного для прямой регистрации методом МРТ в связи с отсутствием водорода, регистрировать МР-сигнал от контрастного вещества, контактирующего с этим объектом. Благодаря равномерному распределению по поверхности объекта контрастного вещества с большим содержанием водорода (протонов) и имеющего жидкостную структуру, а потому дающего мощный МР-сигнал, возможно получение качественных объемных МР-изображений, которые отображают структуру как внешней, так и внутренней поверхностей исследуемого объекта, структура которого может быть самой разнообразной.

Хорошая адаптация МРТ для 3D-визуализации является следствием того, что магнитное и РЧ поля свободно проникают в структуру исследуемого объекта, если он не является металлическим. Метод является дополнением к лучевым методам исследования, основанным на отражении зондирующего луча (оптические и микроволновые лазеры), а также на ослаблении проникающего луча (рентгеновский метод).

На представленных графических материалах показаны изображения, получаемые в результате томографических исследований по известным и предлагаемому способам объемной визуализации неметаллических объектов методом МРТ.

На фиг.1 показаны примеры объемной визуализации в известных диагностических МРТ-исследованиях объектов, содержащих водород: А - сосуды головного мозга, В - структуры внутреннего уха, С - невринома позвоночного канала, D - внешние анатомические структуры головы.

На фиг.2 представлены примеры объемной визуализации - 3D-реконструкций, полученных от объектов, сделанных из материалов, которые не содержат водород (это обычные бытовые предметы: стеклянная посуда и керамический чайник). На этой фигуре представлены исходные МР-изображения (верхний ряд) и 3D-реконструкции (нижний ряд).

На фиг.3 - объемные изображения, воспроизводящие объекты (слева - стеклянная бутылка, справа - керамический чайник) с отсеченными частями, что позволяет визуализировать внутреннюю поверхность объекта.

На фиг.4 показана 3D-визуализация статуэтки.

Для получения исходных МР-изображений применялось сканирование с цифровым разрешением 1×1×1 мм, время сканирования не более 20 минут. Небольшие артефакты вблизи зоны нанесенного на чайнике рисунка связаны с наличием в краске металлических компонентов, вызывающих искажение РЧ-поля. Качество изображений - отношение сигнала к шуму, пространственное разрешение - может быть повышено за счет увеличения времени накопления сигнала. Если для живых объектов это время приходится ограничивать, то для неживых объектов продолжительность исследования может быть задана сколь угодно большой.

Способ объемной визуализации неметаллических объектов методом МРТ осуществляли на МР-томографе Tomikon S50 (Bruker). 3D-обработка проведена с помощью программ ParaVision (v.1.0 (IRIX 5.3) и ImageJ 1.34s (MS Windows XP). Построение 3D-образа исследуемого объекта проводили с использованием вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, которое вводили в контакт с исследуемым объектом и по которому визуализировали поверхность исследуемого объекта путем регистрации сигналов от этих ядер методом МРТ, в качестве вещества, содержащего резонирующие магнитные ядра, использовали вещество, содержащее водород, в первом примере - вазелин, который наносили равномерно тонким слоем на поверхность исследуемого объекта. На фрагментах А и В (см. фиг.2) виден сигнал вазелина, размазанного по поверхности исследуемого объекта. Для 3D-реконструкции применено MIP-преобразование, при котором лучше, чем для 3D-рендеринга, воспроизводится стеклянная поверхность. Во втором примере на фрагментах С и D показано присутствие исследуемого объекта, погруженного в воду, что выявляется по выпадению сигнала на МР-изображении. Объемная реконструкция сделана методом 3D-рендеринга.

На отдельных срезах МР-изображение объекта по первому примеру представлено тонкими яркими линиями, отображающими локализацию вазелина, нанесенного на поверхность невидимого для ЯМР объекта - фиг.2А, В. Полученной информации достаточно, чтобы провести сегментацию и, в конечном итоге, объемную реконструкцию объекта, после чего он может быть представлен под любым углом обзора, с разными вариантами оттенения поверхности, анимационными эффектами и т.д.

При реализации второго варианта (пример 2) информация о невидимом для ЯМР объекте представлена на МРТ-изображении в виде участков низкого сигнала (темные участки) на фоне сильного сигнала воды (светлые участки) - фиг.2C, D. Для проведения 3D-реконструкции по стандартному алгоритму необходимо лишь провести инверсное преобразование шкалы яркости на МРТ-изображении.

За счет несложных манипуляций с МРТ-данными возможно построение произвольных сечений реконструируемого объекта, что позволяет разглядывать объект как бы изнутри и визуализировать внутреннюю поверхность объекта - фиг.3. Чтобы получить объемные изображения с внутренними "вырезами" или "срезанными" под определенным углом, перед запуском алгоритма объемной реконструкции необходимо произвести предварительную обработку исходных (2D) изображений, полученных от МР-сканирования исследуемого объекта. Обработка сводится к соответствующей "обрезке" исходных изображений с помощью обычного графического редактора. Описанные манипуляции (графическая обработка и 3D-реконструкция) можно реализовать не только с помощью программного обеспечения, которое поставляется фирмами - производителями томографов, но и с помощью программ, имеющихся в свободном доступе - например, ImageJ (http://rsb.info.nih.gov/ij/).

Вследствие использования предлагаемого способа объектами 3D-визуализации методом протонного МРТ могут быть предметы как содержащие, но обычными МРТ-методами не регистрируемые из-за слишком короткого времени релаксации протонов - например, полимерные, пластмассовые изделия, так и вовсе не содержащие водород. Необходимо лишь, чтобы они не содержали металл, т.к. последние искажают РЧ-поле и, соответственно, само МРТ-изображение, не портились от нанесения на их поверхность водородсодержащей эмульсии или от погружения в контрастирующую водородсодержащую жидкость, а также имели приемлемые для томографа габариты. Возможно, что наиболее востребованными объектами 3D-визуализации окажутся предметы искусства, археологические и палеонтологические материалы, копии проектируемых изделий и др.