Способ оценки объема жировой ткани в теле человека
Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для оценки объема жировой ткани всего тела конкретного человека методом магнитно-резонансной томографии (МРТ). Сущность способа состоит в том, что проводят магнитно-резонансное сканирование (МРС) всего тела при режиме, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира с последующим вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов. При этом перед вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов, проводят дополнительное МРС при режиме, обеспечивающем подавление сигнала жира. Получают разностное изображение путем вычитания изображений, полученных при режиме МРС, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира, и дополнительном МРС. Разностное изображение используют для последующего вычисления суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани. Использование данного изобретения обеспечивает повышение точности оценки объема жировой ткани в теле человека, упрощает дифференциацию тканей на МРТ-изображении и способствует автоматизации расчета общего объема жира в теле человека, позволяет использовать наиболее информативные для диагностики режимы сканирования, т.е. совместить определение объема жира с обычной диагностикой. 1 ил.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки объема жировой ткани всего тела конкретного человека методом магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Актуальность решения данной проблемы связана с тем, что значительная часть населения планеты страдает от переизбытка веса, связанного с нарушением обмена веществ, приводящего к возрастанию объема жировой ткани. Пока не найдено эффективного метода решения этой проблемы. Разработка, апробация и применение препаратов, позволяющих нормализовать обмен веществ и привести содержание жира к норме, требует мониторинга, позволяющего оценить эффективность препаратов и при необходимости внести коррективы в лечебный процесс.
Методы оценки содержания жира, основанные на антропометрических измерениях, не учитывают индивидуальных особенностей конкретного человека, поскольку базируются на среднестатистических параметрах.
В этой связи представляется перспективным применение методов МРТ для оценки содержания жировой ткани. Важно то, что метод МРТ является дистанционным, безопасным и позволяет дифференцировать ткани по содержанию протонов и временам релаксации. Особенностью жировой ткани как объекта МРТ исследования является сравнительно короткое время релаксации - порядка 0.1-0.2 с, в то время как у воды - порядка 1-2 с. При этом концентрация протонов в единице объема (протонная плотность) примерно того же порядка, что и у воды. Для реализации предлагаемого способа требуется сканировать все тело, что увеличивает время исследования и требует дополнительных программно-технических средств по сравнению с обычным МРТ исследованием отдельных органов. Кроме того, метод сканирования и способ обработки данных должны создавать возможности автоматизации расчетов, чтобы исключить субъективный фактор и повысить точность и воспроизводимость измерений.
Следует отметить, что в теле человека присутствует несколько типов жировой ткани с несколько различающимися структурными параметрами и, кроме того, сама жировая ткань содержит воду в связанном виде, из-за чего создается проблема пространственной дифференциации. Это приводит к различным оценкам значений содержания жира и воды. В то же время можно выбрать какой-то критерий оценки содержания жира, задать методику его измерения и использовать ее для мониторинга.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ оценки объема жировой ткани в теле человека (см. Thomas EL, Saeed N, Hajnal JV, et al. Magnetic resonance imaging of total body fat // J Appl Physiol. 1998; 85:1778-85), включающий магнитно-резонансное сканирование (MPC) всего тела при режиме, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира с последующим вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов.
Используемый в этом способе режим магнитно-резонансного сканирования (МРС) основан на методике градиентного эха. Особенностями используемого режима является сильный сигнал от жировой ткани, а также то, что на получаемых MP изображениях хорошо видна граница между тканями. Это упрощает выявление и локализацию анатомических структур и создает благоприятные условия для сегментации соответствующих участков на MP изображении.
Недостатком метода является то, что при сканировании в режиме градиентного эха некоторые ткани, например печень, а также содержимое желудка, кишечника, дают на MP изображении сигналы, сопоставимые по интенсивности с тем, который дает жировая ткань. Это обусловлено их физическими параметрами (время релаксации, протонная плотность), которые влияют на интенсивность регистрируемого сигнала. Поэтому от оператора требуется предварительная работа с MP-изображениями, чтобы скорректировать процесс сегментации на основе своих знаний о локализации органов.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение такого технического эффекта как обеспечение селективного выделения жировой ткани на MP изображении, исключение влияния на результат оценки сигналов от других внутренних органов человека, что способствует повышению точности оценки объема жировой ткани в теле человека и способствует автоматизации расчета общего объема жира в теле человека. Кроме того, в предлагаемом методе предполагается использовать наиболее информативные для диагностики режимы сканирования, чтобы совместить определение объема жира с обычной диагностикой.
Для решения этой задачи в способе оценки объема жировой ткани в теле человека, включающем магнитно-резонансное сканирование (МРС) всего тела при режиме, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира, с последующим вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов, согласно изобретению перед вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов, проводят дополнительное МРС при режиме, обеспечивающем подавление сигнала жира, получают разностное изображение путем вычитания изображений, полученных при режиме МРС, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира, и дополнительное МРС и разностное изображение используют для последующего вычисления суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани.
Необходимость использования двух режимов МРС обусловлена тем, что в настоящее время не известен метод МРС, при котором возможна прямая регистрация сигнала только от жировой ткани.
Полезный эффект от предлагаемого способа объясняется следующим. Согласно методу МРТ каждой точке изображения (пикселу) ставится в соответствие число, характеризующее его яркость (интенсивность MP сигнала). Тогда яркость каждой точки разностного изображения будет определяться разностью яркостей точек от изображений, задействованных в операции вычитания. Следовательно, яркость точек на разностном изображении будет пропорциональна разности интенсивностей сигналов в соответствующих участках пространства. Имеется в виду сигналы от двух режимов сканирования - без подавления и с подавлением сигнала жира. Разностное изображение эмулирует результат действия некой гипотетической импульсной последовательности, в которой производится подавление всех сигналов от тканей, отличных от жировой - поскольку интенсивность этих сигналов при обоих режимах сканирования предполагается одинаковой, то их разность равна нулю. В то же время сигнал от жировой ткани на разностном изображении будет равен сигналу, полученному от режима без подавления сигнала жировой ткани, поскольку вклад от дополнительного режима сканирования, где производится подавление сигнала жировой ткани, нулевой.
Подавление сигнала от жировой ткани часто используется в МРТ (Kerviler DE Е et al. Fat suppression techniques in MRI: an update. // J. Biomed. Pharmacother. 1998, 52, 69-75). Одним из таких приемов, используемых в практике МРТ, является применение методики селективного подавления за счет использования в сканирующей импульсной последовательности радиочастотного импульса с гладкой огибающей. Его назначение - насыщать переходы между энергетическими уровнями, относящимися только к молекулам, составляющим жировую ткань (т.н. химически-сдвиговое подавление). Возможность применения такого способа селекции тканей обусловлена тем, что резонансные частоты ЯМР для воды, составляющей основу живых тканей, и жира отличаются на 3.5 м.д. (или 3.5×10-6 F, где F - рабочая частота спектрометра ЯМР) из-за различного ослабления магнитного поля электронными оболочками внутри молекул. Если в предлагаемом способе оценки объема жира применяется частотно селективное подавление сигналов жира, то измерение сводится к измерению объема ткани, обладающей определенной частотой ЯМР.
Другой прием подавления сигналов жира - применение в сканирующей импульсной последовательности эффекта инверсия-восстановление. Для реализации этого эффекта в начало последовательности (перед базовой ее частью) вставляют инвертирующий импульс. После его воздействия ядерно-спиновая намагниченность меняет знак, а затем постепенно восстанавливается к равновесному значению, проходя через нулевую точку. Именно в этот момент запускается базовая часть импульсной последовательности. Скорость восстановления намагниченности различна для разных тканей. Поэтому подбирают такой интервал между инвертирующим импульсом и началом запуска базовой части импульсной последовательности, чтобы запуск произошел в момент перехода намагниченности (для выбранной для подавления ткани - в данном случае - жира) через нуль. Учитывая экспоненциальный закон восстановления намагниченности, этот интервал TI составит Т1/ln2=0.69Т1, где Т1 - время релаксации. В результате регистрироваться будут все ткани, у которых время релаксации отлично от Т1=1.4TI. Этот вариант подавления сигналов жира более предпочтителен для большой зоны сканирования, поскольку слабо зависит от неоднородности магнитного поля.
При использовании методики инверсия-восстановление определение объема жира сводится к измерению объема ткани, обладающей временем релаксации Т1.
В качестве режима МРС, применяемого для оценки содержания жира, удобно использовать известный режим FSE-T2 (fast spin echo Т2 weighted image). В этом режиме регистрируются сильные сигналы - как от жира, так и ряда других тканей. Важно, что этот режим легко трансформируется для подавления сигналов жира - за счет добавления либо частотно-селективного, либо инвертирующего импульса. Сам режим FSE-T2 часто используется в диагностических МРТ исследованиях самых различных органов.
На чертеже, фрагменты А-Е, проиллюстрирован предлагаемый способ в сравнении с принятым за прототип способом, где изображено следующее:
А - результат МРС в режиме градиентного эха с получением изображения по способу-прототипу;
Б - изображение, получаемое в режиме FSE-T2, на котором определяется сигнал как жировой, так и других тканей;
В - изображение, полученное от режима МРС, обеспечивающего подавление сигнала жировой ткани методом инверсия-восстановление IR-FSE-T2.
Г - изображение, получаемое вычитанием изображений Б и В. На изображении представлена только жировая ткань;
Д - разностное изображение, на котором отображены участки, яркость которых превышает уровень шума;
Е - изображение с яркостной заливкой внутри внешнего контура, образованного сигналом от подкожного жира.
Пример реализации заявляемого способа оценки объема жировой ткани в теле человека. На 0.5 Тл MP-томографе Tomikon S50 (Bruker) исследована женщина 22 лет, декларированный вес - 48 кг, нормальное телосложение, отсутствие жалоб на здоровье.
На первом этапе осуществляли МРС всего тела человека при обычном диагностическом режиме FSE-T2, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется как сигнал жира, так и ряда других тканей. Затем проводили дополнительное МРС при режиме IR-FSE-T2, обеспечивающем подавление сигнала жира. После этого получали разностное изображение путем вычитания изображений, полученных при режиме МРС, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира, и дополнительном МРС, и разностное изображение использовали для последующего вычисления суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивали объем жировой ткани в теле человека, перемножив суммарную площадь на толщину сканируемых срезов.
Подсчет общего объема жировой ткани осуществляли следующим образом. На каждом срезе разностного изображения подсчитывали общую площадь ярких участков путем подсчета количества пикселов, яркость которых превышала уровень шума, и перемножали это количество на площадь пиксела. Площадь пиксела рассчитывалась путем деления площади изображения на общее количество пикселей. Затем подсчитывалась суммарная (по всем срезам) площадь. Полученный результат умножали на толщину среза.
Для упрощения расчетов преобразовывали разностное изображение, представленное оттенками серого цвета, в черно-белое изображение, присвоив всем пикселам, яркость которых превосходит шумовой порог, единое значение яркости, а всем остальным пикселам - нулевое (фрагмент Д рисунка). Подсчет таких точек проводился автоматически сразу по всем срезам.
Для подсчета общего объема тела использовали то обстоятельство, что подкожный жир распределен по всей внешней поверхности тела и дает яркий сигнал для любого режима сканирования, если в нем специально не предусмотрено его подавление. Для MP изображения, полученного на первом этапе МРС, производили яркостную заливку внутри внешнего контура, образованного сигналом от подкожного жира (фрагмент Е рисунка). Чтобы подсчитать общий объем тела, подсчитывали суммарную (по всем срезам) площадь яркого сигнала, которую умножали на толщину среза.
В результате подсчитали общие объемы: жира, тела, соотношение между ними. Для расчетов использовали свободно распространяемую программу ImageJ - http://rsbweb.nih.gov/ij.
Результаты расчетов. Исходные МРТ-изображения представлены 26 срезами толщиной 1 см. Площадь изображения - 54×180 см, изображения представлены одинаковыми матрицами размерности 128×427. Таким образом, площадь пиксела - (54×180)/(128×427)=0.18 см2. Суммирование ярких точек по всем срезам разностного изображения (фрагмент Д) с помощью программы ImageJ дает величину 83860. Тогда объем жира составляет 83860×0.18×1=14914 см3=14.9 л.
Этот объем можно сопоставить с объемом всего тела. Суммирование ярких точек по всем срезам изображения, полученного путем яркостной заливки (фрагмент Е), с помощью программы ImageJ дает величину 289439. Тогда объем тела составит 289439×0.18×1=52099 см3=52.1 л.
Соотношение объемов жира и всего тела составило 14.9/52.1=0.286. Такая величина близка к норме для молодой женщины - см., напр., http://hudeemvmeste.ru.
Таким образом, предлагаемая методика оценки содержания жировой ткани, основанная на использовании двух режимов (без подавления и с подавлением сигналов жира) для одной и той же зоны сканирования с последующим анализом разностного изображения, обеспечивает надежное определение участков жировой ткани на МР-изображении. Это, в свою очередь, позволяет автоматизировать подсчет объема жира, поскольку предварительной сегментации участков жировой ткани на изображении не требуется. Кроме того, для реализации методики можно использовать широкий круг диагностически значимых режимов сканирования, а также использовать различные методы подавления сигналов жировой ткани в зависимости от выбранного способа дифференциации жировой и отличных от нее тканей.
Все это способствует повышению эффективности МРТ исследования, охватывающего все тело, нацеленного на измерение жировой ткани в теле человека.
Способ оценки объема жировой ткани в теле человека, включающий магнитно-резонансное сканирование (МРС) всего тела при режиме, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира, с последующим вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов, отличающийся тем, что перед вычислением суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани, по которой оценивают объем жировой ткани в теле человека с учетом толщины сканируемых срезов, проводят дополнительное МРС при режиме, обеспечивающем подавление сигнала жира, получают разностное изображение путем вычитания изображений, полученных при режиме МРС, обеспечивающем получение изображения, на котором определяется сигнал жира, и дополнительном МРС и разностное изображение используют для последующего вычисления суммарной площади участков, соответствующих жировой ткани.
