Способ определения времени продольной ядерной магнитно-резонансной релаксации t1

Изобретение относится к медицинской технике, точнее к способам аппаратного неинвазивного определения глюкозы в крови по результатам ЯМР-исследования. Способ определения времени продольной ядерной магнитно-резонансной релаксации T₁ для определения содержания сахара в крови включает размещение объекта для измерений в чувствительный индуктивный элемент ЯМР-анализатора, индикацию результатов измерения в виде сигналов ЯМР и их сравнение с градуировочными измерениями. Внутрь чувствительного индуктивного элемента ЯМР-анализатора, выполненного в виде катушки-датчика, расположенной в неоднородном рабочем магнитном поле, помещают палец пациента, магнитное поле модулируют по частоте посредством генератора звуковой частоты и катушек модуляции магнитного поля, установленных в постоянном магнитном поле, при этом относительная величина неоднородности магнитного поля удовлетворяет условиям 2·10^-4≤ δН₀/Н₀ ≤ 10^-1, Н₀ ≠ Н_р, Н_р= f/γ, где δН₀ - неоднородность магнитного поля, Н₀ - напряженность постоянного магнитного поля, f - частота высокочастотного генератора, γ - гиромагнитное отношение, Н_р - напряженность резонансного магнитного поля, напряженность суммарного неоднородного магнитного поля изменяют посредством подачи прямоугольного импульса тока на катушки для создания импульса магнитного поля и при наступлении ядерного магнитного резонанса осуществляют модуляцию высокочастотного поля по амплитуде, при этом сигнал с контура генератора высокой частоты преобразуют в виде низкочастотного сигнала переменного тока в сигнал ЯМР и получают результат измерений в виде показателя степени экспоненты, определяющей время релаксации T₁. Использование изобретения позволяет повысить точность и достоверность измерений. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к медицинской технике, точнее к способам неинвазивного определения глюкозы в крови путем определения времени спин-решеточной (продольной) релаксации T₁ в сыворотке и в плазме крови с помощью ядерного магнитного резонанса. Известны различные модификации способа диагностики злокачественных новообразований и диабета, включающие определение времени продольной релаксации T₁ в сыворотке и плазме крови. Авторское свидетельство СССР №888948, МПК G 01 N 33/48, 1980 г. Авторское свидетельство СССР №1223444, МПК G 01 N 33/48, 1982 г. Авторское свидетельство СССР №1510532, МПК G 01 N 33/48, 1987 г.

В приведенных выше способах бралась кровь из локтевой вены пациента как для стандартного лабораторного анализа и проводился анализ капиллярной крови, взятой из пальца.

Известен способ диагностики, основанный на определении времени продольной релаксации T₁ в сыворотке и плазме крови. (RU №2154272, МПК G 01 N 33/48, 2000 г. - прототип), в этом патенте данные продольной ЯМР-релаксации T₁, измеренные стандартным методом ядерного магнитного резонанса и преобразованные в безразмерные величины, дополняют данными других физических способов исследования сыворотки крови. Данные вводятся в виде безразмерных коэффициентов в компьютер для определения итогового коэффициента. Итоговый коэффициент используют только для оценки динамики процесса, произошедшего в организме пациента по сравнению с предыдущим анализом.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности измерений для определения содержания сахара в крови.

Технический результат достигается тем, что в способе определения времени продольной ядерной магнитно-резонансной релаксации T₁ для определения содержания сахара в крови, включающем размещение объекта для измерений в чувствительный индуктивный элемент ЯМР-анализатора, индикацию результатов измерения в виде сигналов ЯМР и их сравнение с градуировочными измерениями, внутрь чувствительного индуктивного элемента ЯМР-анализатора, выполненного в виде катушки-датчика, расположенной в неоднородном рабочем магнитном поле, помещают палец пациента, магнитное поле модулируют по частоте посредством генератора звуковой частоты и катушек модуляции магнитного поля, установленных в постоянном магнитном поле, при этом относительная величина неоднородности магнитного поля удовлетворяет условиям 2·10^-4≤ δН₀/Н₀ ≤ 10^-1, Н₀ ≠ Н_р, Н_р = f/γ, где δН₀ - неоднородность магнитного поля, Н₀ - напряженность постоянного магнитного поля, f - частота высокочастотного генератора, γ - гиромагнитное отношение, Н_р - напряженность резонансного магнитного поля, напряженность суммарного неоднородного магнитного поля изменяют посредством подачи прямоугольного импульса тока на катушки для создания импульса магнитного поля и при наступлении ядерного магнитного резонанса осуществляют модуляцию высокочастотного поля по амплитуде, при этом сигнал с контура генератора высокой частоты преобразуют в виде низкочастотного сигнала переменного тока в сигнал ЯМР и получают результат измерений в виде показателя степени экспоненты, определяющей время релаксации T₁.

Кроме того, предпочтительно, чтобы при измерении концентрации сахара в крови амплитуда прямоугольного импульса тока была выбрана с возможностью создания напряженности суммарного неоднородного магнитного поля большей резонансного значения.

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость времени релаксации ядер T₁ от концентрации глюкозы в плазме (верхняя прямая) и цельной крови (нижняя прямая) разных людей, находящихся на лечении. Из графических данных видно соответствие между временем релаксации и концентрацией сахара в крови.

На фиг.2 представлена экспериментальная зависимость времени релаксации Т₁ от концентрации сахара, полученная для пальца руки человека.

На фиг.3 схематично представлена блок-схема измерений, где 1 - исследуемый образец, в частности палец, 2 - катушка-датчик, 3 - генератор высокочастотных колебаний, 4 - генератор звуковой частоты, 5 - катушки модуляции магнитного поля, 6 - катушки для создания импульса магнитного поля, 7 - генератор прямоугольных импульсов, 8 - амплитудный детектор, 9 - предварительный усилитель, 10 - резонансный усилитель, 11 - компьютер, 12 - магнит.

На фиг.4 представлена диаграмма для определения времени релаксации T₁ для цельной крови.

На фиг.5 представлена диаграмма следования полученных импульсов для определения ритмов сердца.

Основой способа неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, включающего измерения на основе ЯМР-диагностики времени релаксации T₁, является прямая зависимость этого времени от концентрации глюкозы в крови.

Палец руки человека представляет собой идеальный объект для измерений. В пальцах имеется множество капилляров, в которых скорость движения крови небольшая 0,5-1,2 мм/с, это сводит к минимуму влияние артефактов от движения. Отношение объема, занимаемого межклеточной жидкостью, кровью и мышечной тканью, к объему, занимаемому костной тканью, достаточно большое. Это позволяет получать амплитуды сигналов ЯМР от жидкостной компоненты пальца, достаточные для дальнейшего усиления и обработки. Состав межклеточной жидкости и крови по отношению к глюкозе совершенно идентичен. От костной ткани сигнал ЯМР не возникает, поскольку в ней нет свободных протонов. Для мышечной ткани время релаксации Т₁ около 0,05 с, и изменения количества этой ткани, которые могут быть у разных людей, не вносят заметных изменений в величину времени релаксации T₁. Таким образом, при регистрации сигнала от пальца фактически измеряется сигнал от крови и межклеточной жидкости, а поскольку они по отношению к глюкозе идентичны по своему составу, то поведение времени релаксации T₁ непосредственно связано с концентрацией глюкозы в крови человека. Палец выполняет функцию сосуда, не влияющего на измерения диагностических параметров.

Способ определения содержания глюкозы в крови человека и оценка ритмов сердца заключаются в следующем.

Палец пациента 1 размещают в цилиндрической катушке-датчике 2, расположенной в неоднородном (˜10^-2) магнитном поле, направление которого перпендикулярно к оси катушки. Разброс неоднородности магнитного поля обусловлен границами возможности измерений, чувствительности и точности измерений.

Катушка-датчик 2 является задающим контуром генератора высокой частоты 3. Этот генератор малых колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью, благодаря которой поддерживается непрерывная генерация.

При этом схема чувствительна к небольшим изменениям добротности контура. Магнитное поле модулируют с помощью генератора звуковой частоты 4 и соответствующих катушек 5, размещенных в магните (в экспериментальной установке эта частота равна 5000 Гц). Напряженность неоднородного рабочего магнитного поля обычно меньше резонансного значения. Напряженность магнитного поля Н₀ может быть и больше резонансного значения, это зависит от знака магнитного поля, создаваемого импульсным генератором или условиями подключения катушек 6 к генератору импульсов тока 7.

В общем случае резонанс достигается при изменении напряженности магнитного поля путем подачи импульса тока на катушки 6 от генератора импульсов тока 7.

Резонансные условия определяются формулой f=γН_р, где f - частота высокочастотного генератора, Н_р - напряженность резонансного магнитного поля, γ - гиромагнитное отношение (для протонов γ=42,58 МГц/Тл).

На катушки 6, расположенные в электромагните или в постоянном магните 12, от генератора импульсов 7 подают прямоугольный импульс тока, чтобы возникающее в катушках 6 магнитное поле сложилось с постоянным полем Н₀ магнита 12 и заведомо превысило бы резонансное значение Н_р.

Передний фронт этого импульса должен быть значительно меньше, чем время (γ·δH₀)^-1, где δН₀ - неоднородность магнитного поля. Напряженность создаваемого поля в катушках 6 зависит от того, насколько мы отстоим от резонанса. Время прохождения через резонанс определено фронтом импульса, поэтому фронт импульса должен быть по возможности меньше и не превышать время релаксации. В нашем случае фронт импульса составил около 1 млсек.

В момент наступления ядерного магнитного резонанса изменяется добротность катушки и происходит модуляция высокочастотного поля по амплитуде. Сигнал поступает с контура генератора высокой частоты 3 на амплитудный детектор 8, где преобразуется в низкочастотный сигнал переменного тока - сигнал ЯМР, который представляет собой один импульс или череду импульсов.

Если необходимо измерить время релаксации T₁, то амплитуду импульса выбирают такой, чтобы создаваемое соответствующими катушками магнитное поле было больше, чем резонансное значение.

Длительность импульса выбирают исходя из соображения экономии времени. Для измерения времени релаксации T₁ достаточным является условие, при котором длительность импульса равна удвоенному времени релаксации.

Сигнал ЯМР, если это необходимо, подают на предварительный усилитель 9 и узкополосный усилитель 10, настроенный на звуковую частоту (в нашем случае такая частота 5000 Гц). Затем сигнал передают в компьютер 11. Компьютер 11 обрабатывает полученные сигналы и выдает результат в виде показателя степени экспоненты, характеризующей время релаксации T₁, сравнивает с градуировочными (эталонными) измерениями.

Пример.

С помощью устройства, представленного на фиг.3, обеспечивается высокая чувствительность. В качестве примера рассмотрим вариант, когда в катушку-датчик 2 был помещен палец пациента (фиг.4, 5). От импульсного генератора 7 на катушки 6 подали импульс тока с длительностью больше секунды (для измерения времени релаксации длительность импульса должна быть в 4-5 раз больше, чем время релаксации). В данном случае длительность импульса тока составила 5 сек. Одиночный импульс (фиг.4) характеризует время релаксации крови человека. Из этой диаграммы следует, что время релаксации в крови составило 0,48 с.

1. Способ определения времени продольной ядерной магнитно-резонансной релаксации T₁, включающий размещение объекта для измерений в чувствительный индуктивный элемент ЯМР-анализатора, индикацию результатов измерения в виде сигналов ЯМР и их сравнение с градуировочными измерениями, отличающийся тем, что внутрь чувствительного индуктивного элемента ЯМР-анализатора, выполненного в виде катушки-датчика, расположенной в неоднородном рабочем магнитном поле, помещают палец пациента, магнитное поле модулируют по частоте посредством генератора звуковой частоты и катушек модуляции магнитного поля, установленных в постоянном магнитном поле, при этом относительная величина неоднородности магнитного поля удовлетворяет условиям 2·10^-4≤δН₀/Н₀≤10^-1, Н₀≠Н_р, Н_р=f/γ, где δН₀ - неоднородность магнитного поля, Н₀ - напряженность постоянного магнитного поля, f - частота высокочастотного генератора, γ - гиромагнитное отношение, Н_р - напряженность резонансного магнитного поля, напряженность суммарного неоднородного магнитного поля изменяют посредством подачи прямоугольного импульса тока на катушки для создания импульса магнитного поля и при наступлении ядерного магнитного резонанса осуществляют модуляцию высокочастотного поля по амплитуде, при этом сигнал с контура генератора высокой частоты преобразуют в виде низкочастотного сигнала переменного тока в сигнал ЯМР и получают результат измерений в виде показателя степени экспоненты, определяющей время релаксации T₁.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при измерении концентрации сахара в крови амплитуду прямоугольного импульса тока выбирают с возможностью создания напряженности суммарного неоднородного магнитного поля большей резонансного значения.