книги / Экспериментальные методы в биомеханике

РФП – пероральный, парентеральный, ингаляционный, интралюмбальный. В настоящее время при исследовании используют 60 радионуклидов и 100 меченых соединений.

Радиофармацевтические препараты находятся в смеси с веществами, которые накапливаются преимущественно в том или другом органе. Затем посредством различных приборов определяют скорость и характер перемещения, фиксации и выведения их из организма, органов и тканей. Используя РФП с определенными органотропными свойствами, можно проводить сканирование практически всех органов и систем.

Радионуклидные методы исследования позволили в физиологических условиях изучать самые тонкие механизмы жизнедеятельности – от молекулярного до уровня целостного организма. Преимуществом радиоизотопных методов исследования является высокая точность диагностических результатов, безболезненность

исравнительная безопасность для обследуемого.

Внастоящее время существуют два больших раздела в медицинской радиоизотопной диагностике: in vitro и in vivo методы исследования.

Выделяются 4 основные группы исследований: 1. Радиометрия:

а) лабораторная; б) клиническая.

2. Радиография.

3. Сканирование.

4. Сцинтиграфия

2.4.1. Радиометрия

Лабораторная радиометрия позволяет исследовать отдельные порции крови, мочи или кала с целью определения содержания в них того или иного меченого соединения. Методом лабораторной радиометрии можно значительно точнее, чем с помощью других методов исследования, определить объем плазмы крови и эритроцитов (красных кровяных телец). Радиометрия мочи позволяет косвенно судить о работе почек. Исследование кала методом лабора-

41

торной радиометрии дает представление об усваиваемости жиров в желудочно-кишечном тракте.

Радиоиммунологический анализ (РИА) in vitro. Радиоимму-

нологический метод представляет собой так называемый метод связывания. Для количественного определения связанной формы (комплекс антиген– антитело) применяют антитела, меченные радиоактивными препаратами. Радиоиммунологические исследования не требуют введения РФП, что исключает лучевую нагрузку на пациента. Методом РИА определяют содержание гормонов, ферментов, лекарственных препаратов в биологических жидкостях, а также изучают физиологические свойства исследуемых веществ, например иммунореактивность и биологическую реактивность.

Клиническая радиометрия основана на свойстве ряда органов и систем накапливать некоторые элементы.

Уровень накопления меченых соединений в органах и тканях определяется путем наружных измерений степени радиоактивности на теле больного. Этот метод, в частности, применяют с целью определения функций щитовидной железы. Внутритиреоидный этап йодного обмена определяют по захвату щитовидной железой йода при пероральном введении РФП – водного раствора йодида натрия активностью 0,8–1,9 МБк.

Радиометрию проводят при исследовании функций печени (определение поглотительной и выделительной функции гепатоцитов), почек (для количественной оценки функционирующей паренхимы) и других органов.

2.4.2.Радиография

Спомощью клинической радиографии регистрируют также скорость прохождения меченого соединения через различные органы, что позволяет установить их физиологическую активность.

В клинической радиографии используют специальные радиодиагностические установки, которые автоматически визуализируют результаты измерений на бумажной ленте в виде кривых.

Радиографию применяют при исследовании функций почек (радиоренография), печени (радиогепатография), легких (радиопульмонография), сердца (радиокардиография).

42

2.4.3. Сканирование

Сканирование является наиболее распространенным методом радиоизотопной диагностики. Метод позволяет визуализировать объемное распределение РФП в организме или в исследуемом органе в виде плоскостной картины (топография органа). Таким образом, радиоизотопное сканирование внутренних органов дает возможность определить расположение в организме исследуемого органа, установить его форму и размеры и выявить наличие в нем ряда патологических изменений.

Принцип сканирования основан на накоплении теми или иными органами и тканями (печенью, почками, легкими, щитовидной железой, спинным и головным мозгом, костями, лимфатической системой) определенных радиоактивных препаратов и последующей регистрации результатов с помощью специальных радиодиагностических устройств, называемых сканерами.

Сканеры имеют датчик, воспринимающий импульсы ионизирующих излучений. Датчик, автоматически перемещаясь над исследуемой частью тела, под которой находится сканируемый орган, передает импульсы излучений на преобразователь, где они преобразуются в электрический сигнал, который, в свою очередь, попадает на регистрирующее устройство. Печатающее устройство переводит электрические импульсы в изображение (сканограмму) с помощью точек, штрихов. При прохождении датчика над исследуемым участком получаются отметки различной плотности, соответствующие степени накопления радиоактивного изотопа в органе, который подвергается исследованию.

43

При равномерном распределении радиофармацевтических препаратов в исследуемом объекте изображение будет однородным. Участкам органа, поглощающим радиоактивный препарат в большей степени, на сканограмме будут соответствовать участки с более частыми отметками (они называются «горячими» узлами). В тех местах, где накопление препарата отсутствует вовсе или снижено, отметки будут отсутствовать или плотность их окажется значительно сниженной. Такие участки называются «холодными» узлами. Сканограмма щитовидной железы показана на рис. 2.6.

2.4.4. Сцинтиграфия

Сцинтиграфия – способ регистрации распределения и скорости перемещения гамма-излучающего РФП в организме с помощью неподвижного детектора (монокристалла) больших размеров. Для

44

2.4.5.Области применения радиоизотопных исследований

Вгастроэнтерологии этот метод позволяет исследовать функцию, положение и размеры слюнных желез, селезенки, состояние желудочно-кишечного тракта. Определяются различные стороны деятельности печени и состояние ее кровообращения: сканирование

исцинтиграфия дают представление об очаговых и диффузных изменениях при хроническом гепатите, циррозе, злокачественных новообразованиях. При сцинтиграфии поджелудочной железы, получая ее изображение, анализируют воспалительные и объемные изменения. С помощью меченой пищи изучают функции желудка

идвенадцатиперстной кишки при хронических гастроэнтеритах, язвенной болезни

Вгематологии радиоизотопная диагностика помогает установить продолжительность жизни эритроцитов, выяснить анемию.

Вкардиологии прослеживают движение крови по сосудам

иполостям сердца: по характеру распределения препарата в его здоровых и пораженных участках делают обоснованное заключение о состоянии миокарда. Важные данные для диагноза инфаркта миокарда дает сцинтиграфия – изображение сердца с участками некроза. Велика роль радиокардиографии в распознавании врожденных

иприобретенных пороков сердца. Специальный прибор – гаммакамера помогает увидеть сердце и крупные сосуды в работе.

Вневрологии радиоизотопную методику используют для вы-

при заболеваниях почек: изображение органа, его расположение, функция.

Для онкологии появление радиоизотопной техники открыло новые возможности. Радионуклиды, избирательно накапливающиеся в опухоли, сделали реальной диагностику первичного рака легких, кишечника, поджелудочной железы, лимфатической и центральной нервной системы, так как выявляют даже небольшие новообразования. Это позволяет оценить эффективность лечения и выявить рецидивы. Более того, сцинтиграфически признаки костных метастазов улавливают на 3–12 месяцев раньше рентгена.

45

Впульмонологии этими методами исследуют внешнее дыхание и легочный кровоток; в эндокринологии «видят» последствия нарушений йодного и другого обмена, вычисляя концентрацию гормонов – результат деятельности желез внутренней секреции. Все исследования ведутся только в радиоизотопных диагностических лабораториях специально подготовленным персоналом. Лучевую безопасность обеспечивает расчет оптимальной активности вводимого радионуклида. Дозы облучения больного четко регламентированы.

2.4.6.Радиоизотопные методы томографии

Впоследнее время по аналогии с рентгеновской компьютерной томографией возникли радиоизотопные методы томографии [10].

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) является одним из самых информативных методов, применяемых в ядерной медицине.

Воснове принципа позитронно-эмиссионной томографии лежит регистрация двух противоположно направленных гамма-лучей одинаковых энергий, возникающих в результате аннигиляции. Процесс аннигиляции происходит в тех случаях, когда излученный ядром радиоизотопа позитрон (положительно заряженная частица)

встречается с электроном (отрицательно заряженной частицей)

втканях пациента. При этом обе частицы превращаются в качественно новую частицу – фотон, который и регистрируется специальным устройством. Позитронно-эмиссионная томография основана на использовании так называемых обменно-активных веществ (например, простых сахаров, чаще всего глюкозы), которые удается надежно метить позитронными эмиттерами (обычно для этого используется изотоп фтора 8,18-F), результатом чего является соединение 18-FDG (18-флюоро-деоксиглюкоза). Будучи введены с диагностической целью внутривенно и достигнув органов-мишеней или тканей, в которых обменные процессы усилены, подобного рода соединения накапливаются в них с существенной разницей органфон. Позитроны, эмитируемые 18-F, имеют очень короткий пробег

втканях и при «встрече» с электронами аннигилируют, испуская

46

кванты энергии, которые и улавливаются детекторами ПЭТтомографов. Получив «карту распределения» 18-FDG в организме, исследователь может сделать вывод о метаболической, функциональной активности того или иного органа или ткани.

Исходно предполагалось, что основное применение ПЭТ найдет в кардиологии, однако в настоящее время более 90 % исследований составляет онкология. Расширяются возможности позитрон- но-эмиссионной томографии для диагностики и в неврологии.

Бурное развитие позитронно-эмиссионной томографии обусловлено тем, что с каждым годом появляется все больше новых радиофармпрепаратов, использование которых открывает новые горизонты использования данного метода лучевой диагностики. При этом позитронно-эмиссионная томография позволяет количественно оценивать распределение радиоактивности на 1 мл или 1 г ткани организма.

2.5. Магнитно-резонансный метод исследования

Магнитно-резонансная интроскопия основана на явлении ядер- но-магнитного резонанса, открытого в 1946 году независимо друг от друга группами исследователей в Стэндфордском и Гарвардском университетах. Как диагностический метод магнитно-резонансная интроскопия основана на свойстве вещества избирательно поглощать электромагнитное излучение. Если систему, находящуюся в постоянном магнитном поле облучить внешним переменным электромагнитным полем, частота которого точно равна частоте перехода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в вышележащие по энергии квантовые состояния. Иначе говоря, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энергии электромагнитного поля. При прекращении воздействия переменного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энергии.

Магнитно-резонансное исследование опирается на способность ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи. Этим свойством обладают ядра, которые содержат нечетное число нуклонов. Эти ядра отличаются ненулевым спином и соответствующим ему магнитным моментом.

47

Современные МР-томографы настроены на ядра водорода, т. е. на протоны. Протон находится в постоянном вращении, следовательно, вокруг него имеется магнитное поле, которое имеет магнитный момент, или спин. При помещении вращающегося протона в магнитном поле возникает прецессирование протона (нечто вроде сферического движения волчка) вокруг оси, направленной вдоль силовых линий приложенного магнитного поля. Частота прецессирования, называемая также резонансной частотой, зависит от силы статического поля. Например, в магнитном поле напряженностью 1Тл (тесла) резонансная частота протона равна 42–57 МГц.

Дополнительное радиочастотное поле прикладывают в виде импульса: более короткий поворачивает протон на 90°, более продолжительный – на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение (наступает его релаксация), что сопровождается излучением порции энергии. Время релаксации протона строго постоянно. Различают два времени релаксации: Т1 – время релаксации после поворота на 180°, Т2 – время релаксации после поворота на 90°.

Магнитно-резонансными характеристиками объекта служат три параметра:

–плотность протонов;

–продольная релаксация Т1;

–поперечная релаксация Т2 .

Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов (концентрацию элементов в исследуемой среде). Время релаксации Т1 и Т2 зависит от многих факторов: молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и т. д. ЯМРспектрометр принадлежит к числу самых точных и чувствительных приборов для определения химического состава вещества (рис. 2.8).

Магнитно-резонансная томография (ЯМРТ) – один из вари-

антов магнитно-резонансной интроскопии [4, 9, 10, 17, 19, 20]. Это диагностический метод, основанный на свойстве вещества избирательно поглощать электромагнитное излучение. Низкая энергия используемых излучений существенно снижает вредное воздействие на организм. С помощью ядерного магнитного резонанса возможно

48

изучение строения различных органов. Достоинством метода является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей и высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра.

МРТ позволяет получить трехмерное изображение различных структур организма человека, недоступных другим методам диагностики, например изображение сосудов. Метод МР-томографии широко применяется при исследовании головного и спинного мозга, так как возможность визуализации таких структур, как гипофиз, сосудистая сеть и оболочки мозга, на МРТ значительно выше, чем в других технологиях лучевой диагностики (рис. 2.9). Кроме того, метод МРТ – единственно достоверный метод в практике патологии мягких тканей и суставов конечностей, который позволяет получить изображение любых слоев тела человека в любом сечении.

2.6. Ультразвуковой метод исследования

Ультразвуковой метод (УЗИ, ультрасонография, сонография, ультразвуковая локация, эхолокация, эхография, эхосканирование) предназначен для определения положения, формы, величины, структуры тканей и органов. УЗИ – это единственный современный

49

метод отображения анатомии внутренних органов в реальном масштабе времени (в движении), что делает возможным оценку движущихся структур (сердца, сосудов) [2, 4, 6, 7, 10, 14–17]. Ультразвуковое исследование является методом медицинской визуализации, который начал применяться в биологических исследованиях более 40 лет назад.

2.6.1.История развития учения об ультразвуке

В1794 году итальянский натуралист и физик Ладзаро Спалланцани (1729–1799) заметил, что если летучей мыши заткнуть уши, то она теряет ориентировку. Он предположил, что ориентация

впространстве осуществляется посредством излучаемых и воспринимаемых невидимых лучей. Впервые высокочастотный сигнал, не слышимый человеческим ухом, получил в лаборатории в 1876 году английский ученый Ф. Гальтон, а в 1883 году он сделал первый ультразвуковой свисток с частотой звука около 170 кГц.

Корни развития УЗИ как диагностического метода исследования уходят еще в те времена, когда с помощью ультразвуковых (УЗ) волн измеряли расстояние под водой. Прародителем медицинского УЗИ была система RAdio Detection And Ranging (RADAR), изобре-

тенная в 1935 году британским физиком Робертом Ватсон-Ваттом (1892–1973) для обнаружения самолетов противника методом радиолокации. Такие радиолокационные системы были прямыми предшественниками последующих двухмерных гидролокационных

имедицинских УЗ-систем, которые появились в конце 40-х годов XX столетия.

Еще одним направлением, предшествовавшим развитию УЗ

вмедицине, была начатая в 30-е годы разработка импульсных УЗ-дефектоскопов металла, которые использовались для проверки целостности металлических корпусов судов, танков и другой техники. Концепция детекции металлодефектов была разработана советским ученым С.Я. Соколовым в 1928 году, а конструирование первых УЗ-детекторов и их последующее совершенствование началось

в40-х годах в США, Великобритании, Германии, Франции, Японии

ив других странах.

50