2 курс / Нормальная физиология / Технологии_и_методы_определения_состава_тела_человека_Мартиросов

Метод РКТ основан на использовании рентгеновских лучей, ориентированных в одной плоскости и преобразованных в веерный пучок, пропускаемый через различные участки тела. Выходящий поток регистрируется при помощи специальных детекторов. Ослабление интенсивности лучей определяется интегралом от функции коэффициента поглощения вдоль траектории луча, поэтому восстановление плотности сводится к нахождению функции коэффициента поглощения по множеству линейных интегралов от неё. Впервые такая задача была решена немецким математиком Радоном в 1917 г. [(Radon, 1917), см. также (Хелгасон, 1983)]. Впоследствии это решение было переоткрыто заново и предложены новые алгоритмы решения задачи компьютерной томографии. В работах отечественных учёных Б. И. Коренблюма, С. И. Тетельбаума и А. А. Тютина, опубликованных задолго до работ Хаунсфилда и Кормака, была доказана возможность решения задачи компьютерной томографии и предложена первая система реконструкции рентгеновских медицинских изображений (Коренблюм и др., 1956; Тетельбаум, 1958). Подробное описание математических задач компьютерной томографии и методов их решения имеется в монографиях (Тихонов и др., 1987; Уэбб, 1991; Кравчук, 2001).

параллельного переноса, оставляя только вращение;

IV поколение — использование вращающегося веера со стационарным кольцом детекторов;

V поколение — сканирование лучом, управляемым электронной схемой; в таких томографах движущиеся элементы отсутствуют,

151

Таблица 4.5. Типичные значения рентгеновской плотности

некоторых биологических тканей (Robb, 1982; Despres et al., 1996)

однако для формирования и управления лучом требуются вакуумные трубки больших размеров.

Большинство клиник на Западе и многие клиники в России оснащены сканерами IV поколения. Они выпускаются фирмами

Siemens, General Electric, Hewlett Packard, Philips (рис. 4.30) и другими. Томографы V поколения распространены мало. В нашей стране выпускались рентгеновские томографы промышленного и медицинского назначения первых поколений [цит. по (Кравчук, 2001)]. В настоящее время усилиями трёх предприятий — Государственного АО “Мосрентген”, компании “Рентом” (Москва) и Института физики твёрдого тела РАН (Москва) — осуществляется реализация совместного проекта по созданию отечественного рентгеновского компьютерного томографа, не уступающего по возможностям западным аналогам (газета “Новые технологии”, № 12(184) от 19.03.2003 г.).

Таким образом, наибольшее распространение имеют рентгеновские томографы, в которых вращается источник излучения, а принимающие детекторы располагаются по всей окружности плоскости вращения. Иногда источник и детектор жёстко соединены друг с другом. Детекторы фиксируют интенсивность излучения при каждом угле поворота источника, что даёт информацию о структуре сканируемых участков тела. Для построения и анализа томографических изображений предложено большое количество алгоритмов (Despres et al., 1996; Heymsfield et al., 1995). Существу-

152

ет тенденция к использованию в спиральных томографах нескольких систем детекторов — так называемых мультидетекторных систем — с возможностью одновременного получения нескольких слоёв изображений (Блинов, 2002).

В табл. 4.5 показаны типичные значения рентгеновской плотности некоторых биологических тканей в единицах Хаунсфилда. Из таблицы видно, что рентгеновская плотность костной ткани резко отличается от плотности остальных тканей организма. Это позволяет использовать метод РКТ в целях диагностики остеопороза. Для этого РКТ выполняется как в области поясничного позвонка, так и в участках периферического скелета. Основное преимущество РКТ перед другими рентгенологическими и радиологическими методами диагностики остеопороза заключается в возможности исследования любого интересующего участка тела с раздельным анализом состояния кортикального и губчатого вещества костей (Grampp et al., 1997). Однако сравнительно высокая стоимость обследования и доза облучения ограничивают применимость РКТ позвоночника. Сканирование отдельных участков периферического скелета во многом лишено этих ограничений, однако обладает меньшей чувствительностью по сравнению с ДРА, выполненной в области позвоночника и бедра (Formica et al., 1998). Для диагностики остеопороза часто применяется радиографическая денситометрия руки, в принципе пригодная для скрининговых исследований. Однако корреляция результатов измерений с плотностью костей позвоночника и бедра, подверженных переломам значительно чаще, как правило, невысока.

Основное применение рентгеновской компьютерной томографии в медицине связано с диагностикой патологических состояний организма, а также с планированием лучевой терапии для лечения онкологических больных. Исследования, выполненные в начале и середине 1980-х годов, показали применимость метода РКТ для изучения состава тела. Получаемые результаты относятся к тканевому уровню многоуровневой пятикомпонентной модели состава тела. Методом РКТ можно оценить площадь поперечного сечения жировых, мышечных и костных тканей в любом участке тела. Информация о структуре поперечных сечений тела вдоль его длины даёт возможность оценить массу и объём органов и тканей организма. Исследования, проведённые на анатомическом материале, выявили высокий коэффициент корреляции (от 0,8 до 0,9) значений площади поперечного сечения жировой ткани, оцененной методами РКТ и прямой планиметрии. Аналогичный результат был

153

получен для величины жировй массы у лабораторных животных, оцениваемой на основе методов РКТ и химической экстракции. Величина разброса оценок общего объёма жировой ткани методом РКТ для последовательных измерений, выполненных у одного и того же индивида, составила около 0,6% (Despres et al., 1996). Оценка общего содержания жировых тканей методом РКТ путём послойного сканирования тела вдоль его длины хорошо коррелировала с оценками методом изотопного разведения, определения естественной радиоактивности всего тела и гидростатической денситометрии (Sjostrom, 1986; Kvist, 1988). Указанный результат был получен на основе изучения 22 поперечных сечений тела. Впоследствии оказалось, что общее содержание жира в организме можно надёжно оценить, если измерить площадь поперечного сечения жировой ткани в единственном участке тела — области живота между 4 и 5 позвонками. Коэффициент корреляции этих величин составил от 0,92 до 0,97, а стандартная ошибка среднего — 3,1 кг для мужчин и 3,5 кг для женщин (Despres et al., 1991).

Важное преимущество метода РКТ заключается в возможности изучения пространственной структуры тканей и органов, включая раздельную оценку содержания подкожного и внутреннего жира. Клинические исследования больных ожирением выявили высокую корреляцию между количеством внутреннего жира в организме и риском развития сердечно-сосудистых заболеваний и диабета, а оценка риска развития осложнений ожирения на основе оценки общего содержания жировой ткани оказалась менее надёжной.

Изучение взаимосвязей между площадью внутренней жировой ткани в поперечном сечении тела в области живота, оцененной на основе метода РКТ, и различными антропометрическими показателями отдельно для мужчин и женщин выявило высокую корреляцию с величиной окружности талии и отношением окружности талии к окружности бедра (Pouliot et al., 1984). Было показано, что около 75% дисперсии указанной величины объясняется вариацией показателей окружности талии и возраста. В связи с относительно высокой стоимостью обследования и необходимостью его проведения в стационарных условиях были предложены антропометрические формулы для оценки состава тела, основанные на данных РКТ (табл. 4.6).

Отличие результатов, получаемых методом РКТ, от результатов магнитно-резонансной томографии заключается в возможности оценки плотности ткани в каждой точке поперечного сечения.

154

Эту информацию вместе с данными о анатомической локализации можно использовать для определения вида ткани, к которой относится данная точка изображения. Оценка массы тела и его отдельных органов и тканей на основе РКТ достаточно надёжна и точна (Sjostrom, 1991).

Выводы. РКТ является эталонным методом определения состава тела на тканевом уровне. Метод даёт возможность раздельного мониторинга количества подкожного и внутреннего жира, а также массы скелетных мышц и внутренних органов. Преимущество метода заключается в его высокой разрешающей способности и точности. Недостаток связан с высокой стоимостью обследования, использованием радиоактивного источника излучения и необходимостью проведения обследования в стационарных условиях.

4.7.Магнитно-резонансная томография

Вусловиях слабого магнитного поля Земли большинство атомов и молекул в организме человека имеют случайную ориентацию. Однако если тело человека поместить в более сильное магнитное поле, то в результате изменения энергетического уровня ядра атомов некоторых элементов будут иметь тенденцию к ориентации вдоль магнитного поля (Despres et al., 1996). Это свойство наиболее выражено

у атомов водорода — протонов (1H). Ато-

мы некоторых других элементов (13C, 19F, 23Na, 31P, 39K) также обладают способностью к ориентации вдоль магнитного поля, но она выражена значительно слабее. Ориентации небольшой части атомов

оказывается достаточно для количественной характеристики эффекта, получаемого в результате отмены действия или изменения направления магнитного поля. Описанное свойство лежит в основе метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — современного аналитического метода исследований, имеющего широкое применение в биологии и медицине. Имеются две основные разновидности метода ЯМР.

156

основанный на использовании явления сдвига резонансной частоты при наложении градиента магнитного поля. Дальнейшее развитие этой области привело к разработке большого количества методов визуализации и алгоритмов обработки данных.

Первое изображение тела человека на основе магнитно-резо- нансной томографии получил Р. Дамадьян в 1977 г. В настоящее время промышленность выпускает большое количество устройств для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и спектроскопии

157

применения метода ЯМР в биологии и медицине посвящено большое количество работ (Лич, 1991; Воронов, 1996; Кравчук, 2001; Ахадов, 2003). Разработаны основные требования к размещению оборудования и безопасности применения метода для пациентов и обслуживающего персонала (см., напр., (Лич, 1991)). На этих вопросах мы останавливаться не будем. Отметим лишь, что в связи с использованием магнитного или электромагнитного поля метод противопоказан пациентам с кардиостимуляторами и имплантированными в тело металлическими предметами (например,

158

пластинками или операционными скрепками).

Существующие методы визуализации позволяют получать ЯМР-изображение поперечного сечения тела за время, не превышающее периода задержки дыхания, т. е. около 20 с. Это позволило избавиться от влияния на реконструируемое изображение двигательных артефактов. Особенность метода МРТ состоит в том, что процесс идентификации границ различных органов и тканей требует ручной коррекции (Despres et al., 1996), в то время как классификация различных органов и тканей организма методом РКТ

осуществляется автоматически на основе заранее заданных пороговых значений рентгеновской плотности.

Некоторые результаты. На основе сопоставления результатов магнитно-резонансной томографии с методами химической экстракции и диссекции для определения ЖМТ и массы жировых тканей лабораторных и сельскохозяйственных животных было показано, что метод МРТ даёт высокую по точности оценку указанных величин (r = 0,97–0,98) (Ross et al., 1991; Fuller et al., 1990). Сопоставление методов МРТ и РКТ выявило высокие коэффициенты корреляции оценок содержания подкожной жировой ткани, однако оценки содержания внутреннего жира хорошо коррелируют лишь в области его высоких значений, а при низком содержании внутреннего жира коэффициент вариации может достигать 13–20% (Seidell et al., 1990).

В ряде работ изучалась воспроизводимость результатов оценки содержания в организме жировых тканей методом МРТ. Оказалось, что коэффициент вариации для повторных измерений содержания подкожного жира лежит в пределах от 1 до 10%, а внутреннего жира — от 5 до 10%. Коэффициент вариации оценок содержания жировых тканей конечностей составляет 1–4% (Ross et al., 1994). Это позволяет использовать магнитно-резонансную томографию, наряду с РКТ, в качестве эталона для определения массы скелетной мускулатуры [см. также (Mitsiopoulos et al., 1998)]. Преимущество метода МРТ перед КТ заключается в том, что он не связан с облучением пациента в ходе обследования.

Глава 5

Послесловие

Современный период развития научных знаний об окружающем мире и человеке характеризуется увеличением роли новых технологий и методов исследования. Менее чем за 100 лет эволюция изучения состава тела позволила подойти к решению ряда биомедицинских задач, имеющих важное теоретическое и прикладное значение. В последние годы данная область исследований выделилась в отдельное направление, получившее название науки о составе тела (Heymsfield et al., 2005). Результаты исследований, связанных с изучением состава тела, публикуются в известных научных журналах и обсуждаются на международных форумах, посвящённых ожирению, клиническому питанию и спортивной медицине. Регулярно проводятся специализированные конференции по изучению состава тела (International Symposium “In vivo body composition studies”) и по биоимпедансному анализу (International Conference on Electrical Bioimpedance). В 2003 г. начал издаваться международный научный журнал, целиком посвящённый проблемам изучения состава тела человека — International Journal of Human Body Composition Research.

Обсуждая перспективные направления развития науки о составе тела человека, необходимо прежде всего ответить на вопрос: каким требованиям должны отвечать технические устройства и методы для того, чтобы они были широко востребованы специалистами и обществом? Очевидно, что при проведении популяционных исследований и в амбулаторной практике спортивной медицины и фитнеса предпочтение отдаётся сравнительно простым, портативным и недорогим методам. К таким методам относятся антропометрия, калиперометрия и биоимпедансный анализ.

160