Функциональная магнитно-резонансная томография. Николай Авдиевич – о новых аппаратах МРТ и их возможностях Функциональная магнитно резонансная томография головного мозга

ТЕХНОЛОГИИ

Е.И. Кремнева, Р.Н. Коновалов, М.В. Кротенкова

Научный центр неврологии РАМН (Москва)

Начиная с 90-х гг. XX в., функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является одной из ведущих методик картирования функциональных зон головного мозга в виду своей неинвазивности, отсутствия лучевой нагрузки и относительно широкой распространенности. Суть данной методики заключается в измерении гемодинамических изменений в ответ на нейрональную активность (BOLD-эффект). Для успеха фМРТ-эксперимента необходимо: наличие соответствующего технического обеспечения (высокопольный МР-томо-граф, специальное оборудование для выполнения заданий), разработка оптимального дизайна исследования, постобработка полученных данных. В настоящее время методика применяется не только в научных целях, но и в практической медицине. Однако нужно всегда помнить о некоторых ограничениях и противопоказаниях, особенно при проведении фМРТ у пациентов с различной патологией. Для правильного планирования исследования и интерпретации его результатов необходимо привлечение различных специалистов: нейрорентгенологов, биофизиков, неврологов, психологов, поскольку фМРТ является мультидисциплинарной методикой.

Ключевые слова: фМРТ, BOLD-контраст, дизайн исследования, постобработка

На протяжении многих веков ученых и врачей интересовало, как функционирует человеческий мозг. С развитием научного и технического прогресса стало возможным приоткрыть завесу этой тайны. И особенно ценным стало изобретение и внедрение в клиническую практику такого неинвазивного метода, как магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ - сравнительно молодой метод: первый коммерческий 1,5 Т-томограф начал работу только в 1982 г. Однако уже к 1990 г. непрерывное техническое совершенствование метода позволило использовать его не только для исследования структурных особенностей головного мозга, но и для изучения его функционирования. В этой статье речь пойдет как раз о методике, позволяющей проводить картирование различных функциональных зон головного мозга - функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).

Основные принципы методики фМРТ_

фМРТ - методика МРТ, измеряющая гемодинамический ответ (изменение кровотока), связанный с активностью нейронов. В ее основе лежат два основных понятия: ней-роваскулярное взаимодействие и BOLD-контраст.

фМРТ не позволяет увидеть электрическую активность нейронов напрямую, а делает это опосредованно, через локальное изменение кровотока. Это возможно благодаря феномену нейроваскулярного взаимодействия - регионального изменения кровотока в ответ на активацию близлежащих нейронов. Данный эффект достигается через сложную последовательность взаимосвязанных реакций, протекающих в нейронах, окружающей их глие (астроци-ты) и эндотелии стенки сосудов, поскольку при усилении активности нейроны нуждаются в большем количестве кислорода и питательных веществ, приносимых с током крови . Методика фМРТ как раз и позволяет непосредственно оценить изменение гемодинамики.

Это стало возможным в 1990 г., когда Seiji Ogawa и его коллеги из Bell Laboratories (США) предложили использовать BOLD-контраст для исследования физиологии мозга при помощи МРТ . Их открытие положило начало эре

современной функциональной нейровизуализации и легло в основу большинства фМРТ исследований. BOLD-конт-раст (дословно - blood-oxygenation-level dependent, зависящий от уровня оксигенации крови) - это различие МР-сиг-нала на изображениях c использованием градиентных последовательностей в зависимости от процентного содержания дезоксигемоглобина . Дезоксигемоглобин имеет отличные от окружающих тканей магнитные свойства, что при сканировании приводит к локальному возмущению магнитного поля и понижению сигнала в последовательности «градиентное эхо». При усилении кровотока в ответ на активацию нейронов дезоксигемоглобин вымывается из тканей, а на смену ему приходит оксигенированная кровь, по магнитным свойствам схожая с окружающими тканями. Тогда возмущение поля уменьшается, и сигнал не подавляется - и мы видим его локальное усиление (рис. 1А).

Таким образом, суммируя все вышесказанное, общую схему фМРТ можно представить следующим образом: активация нейронов в ответ на действие раздражителя и увеличение их метаболических потребностей приводит к локальному усилению кровотока, регистрируемого при проведении фМРТ в виде BOLD-сигнала - произведения нейрональной активности и гемодинамического ответа (рис. 1Б).

рис. 1: А - схематическая иллюстрация ВОШ-контраста в опыте Ода\га при изменении процентного содержания кислорода в крови крыс; при вдыхании обычного воздуха (21% кислорода), в коре определяются участки понижения сигнала (в верхней части рисунка), соответствующие сосудам с повышенным содержанием дезоксигемоглобина; при вдыхании чистого кислорода, отмечается однородный МР-сигнал от коры головного мозга (в нижней части рисунка); Б - общая схема формирования ВОШ-сигнала

Планирование эксперимента

Для проведения фМРТ исследования необходимо наличие высокопольного МР-томографа (величина индукции магнитного поля - 1,5 Т и выше), различное оборудование для проведения заданий при сканировании (наушники, видеоочки, проектор, различные пульты и джойстики для обратной связи с испытуемыми т. п.). Немаловажный фактор - готовность исследуемого к сотрудничеству.

Схематично сам процесс сканирования (на примере зрительной стимуляции) выглядит следующим образом (рис. 2): испытуемый находится в томографе; через специальную систему зеркал, закрепленную над головой, ему доступны изображения, выводимые через видеопроектор на экран. Для обратной связи (если это подразумевается в задании) пациент нажимает кнопку на пульте. Подача стимулов и контроль выполнения задания осуществляется при помощи консоли в пультовой.

Задания, которые выполняет испытуемый, могут быть различными: зрительными, когнитивными, моторными, речевыми и т. д., в зависимости от поставленных целей. Существуют два основных типа представления стимулов в задании: в виде блоков - блоковый дизайн, и в виде отдельных разрозненных стимулов - дискретный дизайн (рис. 3). Также возможна комбинация обоих этих вариантов - смешаный дизайн.

Наиболее широко распространенным, особенно для двигательных заданий, является блоковый дизайн, когда одинаковые стимулы собраны в блоки, чередующиеся между собой. Примером служит задание сжимать резиновый мячик (каждое сжимание - это и есть отдельный стимул) в течение определенного отрезка времени (в среднем - 20-30 с), чередующееся с аналогичными по продолжительности периодами покоя. Подобный дизайн обладает наибольшей статистической силой, поскольку происходит суммирование отдельных BOLD-сигналов. Однако он, как правило, предсказуем для пациентов и не позволяет оценить реакцию на отдельный стимул, а потому не годится для некоторых заданий, в частности, для когнитивных.

рис. 2: Схема фМРТ-эксперимента (по материалам ресурса http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, с изменениями)

Блоковый

Дискретный (event-related)

А 11 i А Д1 iil iiitU I I,

рис. 3: Основные типы дизайнов фМРТ-исследований

Функциональная магнитно-резонансная томография

Для этого существует дискретный дизайн, когда стимулы подаются в хаотичном порядке через разные промежутки времени. Например, испытуемому с арахнофобией показывают нейтральные изображения (цветы, здания и проч.), среди которых время от времени появляются изображения паука, что позволяет оценить активацию головного мозга в ответ на неприятные стимулы. При блоковом дизайне это было бы сложно: во-первых, исследуемый знает, когда появится блок, и уже заранее готовится к этому, а во-вторых, если в течение длительного времени предъявлять один и тот же стимул, реакция на него притупляется . Именно дискретный дизайн может использоваться при фМРТ в качестве детектора лжи или в маркетинговых исследованиях, когда добровольцам показывают различные варианты продукции (ее упаковки, формы, цвета) и наблюдают за их неосознанной реакцией.

Итак, мы выбрали дизайн задания, провели сканирование. Что же мы получаем в итоге? Во-первых, это 4D-серия функциональных данных в последовательности «градиентное эхо», представляющая собой многочисленные повторные сканирования всего объема вещества головного мозга в течение выполнения задания. А во-вторых, 3D-объем анатомических данных высокого разрешения: например, 1 х 1 х 1 мм (рис. 4). Последний необходим для точного картирования зон активации, поскольку функциональные данные имеют низкое пространственное разрешение.

Постобработка данных_

Изменения МР-сигнала в зонах активации головного мозга при различных состояниях составляют всего 3-5%, они неуловимы для человеческого глаза. Поэтому далее полученные функциональные данные подвергаются статистическому анализу: строится кривая зависимости интенсивности МР-сигнала от времени для каждого воксела изображения при различных состояниях - экспериментальном (подача стимула) и контрольном. В результате мы получаем статистическую карту активации, совмещенную с анатомическими данными.

Но до того как непосредственно провести подобный анализ, необходимо подготовить полученные по окончании сканирования «сырые» данные и снизить вариабельность результатов, не связанную с экспериментальной задачей . Алгоритм подготовки представляет собой многоэтапный процесс, и он очень важен для понимания возможных неудач и ошибок при интерпретации полученных результатов. В настоящее время существует различное программ-

Щ -.V w <# %>

40 4»r ч® Ф W

рис. 4: Серии функциональных (А) и анатомических (Б) данных, полученных по окончании сканирования

ное обеспечение для предварительной обработки полученных данных, выпускаемое как производителями МР-томо-графов, так и независимыми исследовательскими фМРТ-лабораториями. Но, несмотря на различия используемых методов, их названий и представления данных, все этапы подготовки сводятся к нескольким основным шагам.

1. Коррекция движения головы испытуемого. При выполнении заданий это неизбежно, несмотря на использование различных приспособлений для фиксации головы (маски, зажимы на головной катушке и проч.). Даже минимальное движение может приводить к выраженному искусственному изменению интенсивности МР-сигнала между последовательными объемами данных, особенно если смещение головы связано с выполнением экспериментального задания. В этом случае сложно различить «истинную» BOLD-активацию от «искусственной» - возникающей вследствие движения исследуемого (рис. 5).

Общепринято принимать за оптимальное смещение головы не более чем на 1 мм . При этом смещение перпендикулярно плоскости сканирования (направление «голова - ноги») существенно хуже для корректной статистической обработки результатов, чем смещение в плоскости сканирования. На данном этапе используется алгоритм трансформации твердого тела (rigid-body transformation) - пространственная трансформация, при которой изменяются только позиция и ориентация объекта, а его размеры или форма постоянны . На практике обработка выглядит следующим образом: выбирается референтый (как правило, первый) функциональный объем изображений, а все последующие функциональные объемы математически совмещаются с ним, подобно тому, как мы выравниваем бумажные листы в стопке.

2. Корегистрация функциональных и анатомических данных.

Различия в положении головы исследуемого приводятся к минимуму. Также осуществляются компьютерная обработка и сопоставление анатомических данных высокого разрешения и функциональных - очень низкого, для возможности последующей локализации зон активации.

рис. 5: Пример смещения головы пациента во время сканирования при выполнении моторной парадигмы. В верхней части рисунка - график движения головы испытуемого в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: средняя кривая отражает смещение пациента по оси z (направление «голова -ноги»), и она выраженно отклоняется при начале выполнения движения и по его окончании. В нижней части - статистические карты активации того же самого испытуемого без коррекции движения. Определяются типичные артефакты от движения в виде полуколец по краю вещества мозга

Кроме того, минимализируются различия, связанные с различными режимами сканирования (обычно для функциональных данных - это режим «градиентное эхо», для анатомических - Т1). Так, режим градиентное эхо может дать некоторое растяжение изображения по одной из осей по сравнению со структурными изображениями высокого разрешения .

3. Пространственная нормализация. Известно, что форма и размеры человеческого мозга значительно варьируют. Чтобы сопоставить данные, полученные от разных пациентов, а также обработать всю группу в целом, применяют математические алгоритмы: так называемое афинное преобразование (affine transformation). При этом происходит трансформация изображений отдельных регионов мозга - растяжение, сжатие, вытягивание и проч. - с последующим приведением структурных данных к единой пространственной системе координат .

В настоящее время наиболее распространенными в фМРТ являются две системы пространственных координат: система Талераша и система Монреальского неврологического института. Первая была разработана французским нейрохирургом Жаном Талерашем (Jean Talairach) в 1988 г. на основании посмертных измерений мозга 60-летней француженки. Тогда были даны координаты всех анатомических областей мозга относительно референтной линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры . В этом стереотаксическом пространстве может быть размещен любой мозг, и зоны интереса могут быть описаны при помощи трехмерной системы координат (x, y, z). Недостаток подобной системы - это данные всего по одному мозгу. Поэтому более популярной является система, разработанная в Монреальском неврологическом институте (MNI) на основе суммарного обсчета данных Т1 изображений 152 канадцев.

Хотя в обеих системах отсчет ведется от линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры, координаты этих систем не идентичны, особенно по мере приближения к конвекситальным поверхностям мозга. Это нужно иметь в виду при сопоставлении полученных результатов с данными работ других исследователей.

Следует оговориться: данный этап обработки не применяется при предоперационном картировании функциональных зон активации в нейрохирургии, поскольку цель фМРТ в подобной ситуации - точно оценить месторасположение данных зон у конкретного пациента.

4. Сглаживание. Пространственная нормализация никогда не бывает точной, поэтому гомологичные регионы, а, следовательно, и зоны их активации, не соответствуют друг другу на 100%. Чтобы достичь пространственного наложения аналогичных зон активации у группы испытуемых, улучшить соотношение «сигнал - шум» и таким образом усилить достоверность данных, применяется гауссова функция сглаживания. Суть данного этапа обработки в «размывании» зон активации каждого исследуемого, вследствие чего увеличиваются участки их перекрывания при групповом анализе. Недостаток - теряется пространственное разрешение.

Теперь, наконец, можно непосредственно перейти к статистическому анализу, в результате которого мы получаем данные о зонах активации в виде цветных карт, наложенных на анатомические данные. Те же самые данные могут

Функциональная магнитно-резонансная томография

Statistics: p-va/ues adjusted for search volume

set-level non-lsotroplc adjusted cluster-level voxel-level

R "- - - ---- mm mm mm

^ conected "Е ^ uncorrected PFWE-con ^ FDR-con Т (У ^ unconected

0.000 80 0.000 0.000 0.000 6.26 6.04 0.000 -27 -24 60

0.000 0.000 6.00 5.81 0.000 -33 -18 69

0.002 46 0.001 0.009 0.000 5.20 5.07 0.000 27 -57 -21

0.123 0.004 4.54 4.45 0.000 18 -51 -18

0.278 6 0.179 0.076 0.003 4.67 4.58 0.000 51 21 -21

0.331 5 0.221 0.081 0.003 4.65 4.56 0.000 -66 -24 27

0.163 9 0.098 0.099 0.003 4.60 4.51 0.000 -48 -75 -27

0.050 17 0.029 0.160 0.005 4.46 4.38 0.000 -21 33 27

0.135 10 0.080 0.223 0.006 4.36 4.28 0.000 3 -75 -33

0.668 1 0.608 0.781 0.024 3.83 3.77 0.000 6 -60 -9

рис. 6: Пример представления результатов статистической постобработки. Слева - зоны активации при выполнении двигательной парадигмы (поднимание - опускание правого указательного пальца), совмещенные с объемной реконструкцией головного мозга. Справа - статистические данные для каждой зоны активации

быть представлены в цифровом формате с указанием статистической значимости зоны активации, ее объема и координат в стереотаксическом пространстве (рис. 6).

Применение фМРТ_

В каких же случаях проводят фМРТ? Во-первых, в чисто научных целях: это исследование работы нормального мозга и его функциональной асимметрии. Данная методика возродила интерес исследователей к картированию функций головного мозга: не прибегая к инвазивным вмешательствам можно увидеть, какие зоны головного мозга отвечают за тот или иной процесс. Пожалуй, наибольший прорыв был сделан в понимании высших когнитивных процессов, включая внимание, память и исполнительные функции. Подобные исследования позволили применять фМРТ в практических целях, далеких от медицины и ней-ронаук (в качестве детектора лжи, при маркетинговых исследованиях и др.).

Кроме того, фМРТ пытаются активно применять в практической медицине. В настоящее время данная методика широко используется в клинической практике для предоперационного картирования основных функций (двигательных, речевых) перед нейрохирургическими вмешательствами по поводу объемных образований головного мозга или некурабельной эпилепсии. В США даже существует официальный документ - практическое руководство, составленное Американским рентгенологическим колледжем и Американским обществом нейрорадиологии, где подробно расписана вся процедура .

Исследователи также пытаются внедрить фМРТ в рутинную клиническую практику при различных неврологических и психических заболеваниях. Основной целью многочисленных работ в данной области является оценка изменения функционирования мозга в ответ на повреждение того или иного его участка - выпадение и (или) переключение зон, их смещение и т.п., а также динамическое наблюдение перестройки зон активации в ответ на проводимую медикаментозную терапию и (или) реабилитационные мероприятия.

В конечном счете, фМРТ-исследования, проводимые на больных различных категорий, могут помочь определить прогностическое значение различных вариантов функциональной перестройки коры для восстановления нарушенных функций и выработать оптимальные алгоритмы лечения.

Возможные неудачи исследования_

При планировании фМРТ всегда следует иметь в виду различные противопоказания, ограничения и возможные

источники ошибок при интерпретации данных, получаемых как для здоровых добровольцев, так и для пациентов.

К ним относятся:

Любые факторы, воздействующие на нейроваскулярное взаимодействие и гемодинамику и, как следствие, на BOLD-контраст; поэтому всегда нужно учитывать возможные изменения церебрального кровотока, например, из-за окклюзий или выраженных стенозов магистральных артерий головы и шеи, приема вазоактивных препаратов; известны и факты снижения или даже инверсии BOLD-ответа у некоторых пациентов со злокачественными глиомами вследствие нарушения авторегуляции ;

Наличие у исследуемого противопоказаний, общих для любого МРТ-исследования (кардиостимуляторы, клаустрофобия и проч.);

Металлоконструкции в области лицевого (мозгового) отделов черепа (не снимаемые зубные протезы, клипсы, пластины и т. п.), дающие выраженные артефакты в режиме «градиентное эхо»;

Отсутствие (затруднение) сотрудничества со стороны испытуемого во время выполнения задания, связанное как с его когнитивным статусом, так и со снижением зрения, слуха и т. п., а также с отсутствием мотивации и должного внимания к выполнению задания;

Выраженное движение обследуемого во время выполнения заданий;

Неправильно спланированный дизайн исследования (выбор контрольного задания, продолжительность блоков или всего исследования и проч.);

Тщательная разработка заданий, что особенно важно для клинической фМРТ, а также при исследовании группы людей или одного и того же испытуемого в динамике для возможности сравнения получаемых зон активации; задания должны быть воспроизводимы, то есть одинаковыми на протяжении всего периода исследования и доступны для выполнения всеми испытуемыми; одним из возможных решений для пациентов, которые самостоятельно не могут выполнять связанные с движением задания, является использование пассивных парадигм с применением различных устройств для приведения конечностей в движение;

Неправильный выбор параметров сканирования (время эхо - ТЕ, время повторения - TR);

Неверно заданные параметры постобработки данных на различных этапах;

Ошибочная интерпретация полученных статистических данных, неверное картирование зон активации.

Заключение

Несмотря на приведенные выше ограничения, фМРТ является важной и многогранной современной методикой нейровизуализации, которая сочетает в себе преимущества высокого пространственного разрешения и неинвазивности с отсутствием необходимости внутривенного контрастного

усиления и воздействия радиации. Однако данная методика очень сложна, и для успешного выполнения задач, поставленных перед работающим с фМРТ исследователем требуется мультидисциплинарный подход - привлечение к исследованию не только нейрорентгенологов, но и биофизиков, нейрофизиологов, психологов, логопедов, врачей клинической практики, математиков. Только в этом случае возможно использование всего потенциала фМРТ и получение действительно уникальных результатов.

Список литературы

1. Ashburner J., Friston K. Multimodal image coregistration and partitioning - a unified framework. Neurolmage 1997; 6 (3): 209-217.

2. Brian N. Pasley, Ralph D. Freeman. Neurovascular coupling. Scholarpedia 2008; 3 (3): 5340.

3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. Effect of age and tumor grade on BOLD functional MR imaging in preoperative assessment of patients with glioma. Radiology 2008; 3: 971-978.

4. Filippi M. fMRI techniques and protocols. Humana press 2009: 25.

5. Friston K.J., Williams S., HowardR. et al. Movement-related effects in fMRI time-series. Magn. Reson. Med. 1996; 35: 346-355.

6. Glover, G.H., Lai S. Self-navigated spiral fMRI: Interleaved versus single-shot. Magn. Reson. Med. 1998; 39: 361-368.

7. Haller S, Bartsch A.J. Pitfalls in fMRI. Eur. Radiol. 2009; 19: 2689-2706.

8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J. Magn. Reson Imaging 2004; 2: 160-167.

9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. Functional magnetic resonance imaging. Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.

10. Ogawa S., Lee T.M. Magnetic resonance imaging of blood vessels at high fields: In vivo and in vitro measurements and image simulation. Magn. Reson. Med. 1990; 16 (1): 9-18.

Магнитно-резонансная томография незаменима в диагностике множества заболеваний и позволяет получить детальную визуализацию внутренних органов и систем.

Отделение МРТ клиники НАКФФ в Москве оснащено высокопольным томографом Siemens MAGNETOM Aera с открытым дизайном туннеля. Мощность томографа составляет 1,5 Тесла. Оборудование позволяет проводить обследование людям весом до 200 кг, ширина туннеля аппарата (апертура) - 70 см. В нашей клинике Вы можете сделать МРТ позвоночника, суставов, внутренних органов, в том числе с введением контрастного вещества, а также пройти магнитно-резонансную томографию головного мозга. Стоимость диагностики доступная, при этом ценность полученных результатов невероятно высока. Всего выполняется более 35 видов магнитно-резонансных исследований.

После МРТ диагностики врач проводит беседу с пациентом и выдает диск с записью. Заключение передается посредством электронной почты.

Подготовка

Большинство магнитно-резонансных исследований не требуют специальной подготовки. Однако, например, для проведения МРТ брюшной полости и органов малого таза рекомендуется воздерживаться от еды и питья за 5 часов до исследования.

Перед посещением центра магнитно-резонансной томографии (в день исследования) необходимо надеть удобную одежду без каких-либо металлических элементов.

Противопоказания

Противопоказания к проведению магнитно-резонансной томографии связаны с тем, что во время исследования образуется мощное магнитное поле, способное влиять на электронику, металлы. Исходя из этого, абсолютным противопоказанием к МРТ является наличие:

кардиостимулятора;
нейростимулятора;
электронного имплантата среднего уха;
металлических клипс на сосудах;
инсулиновых помп.

Установленный кардиостимулятор, нейростимулятор, электронный имплантат среднего уха, металлические клипсы на сосудах, инсулиновые помпы.

Ограничения при проведении

Если у Вас установлены крупные металлические конструкции (например, эндопротез сустава), понадобится документ о возможности и безопасности выполнения МРТ. Это может быть сертификат на имплантат (как правило, выдается после проведенной операции) или справка от хирурга, выполнившего вмешательство. Большинство подобных конструкций изготавливаются из медицинского титана, который не препятствует проведению процедуры. Но, в любом случае, перед исследованием расскажите врачу отделения лучевой диагностики о наличии инородных предметов в организме - коронок в полости рта, пирсинге, и даже татуировках (в последних могли быть использованы металлосодержащие краски).

Цена магнитно-резонансной томографии зависит от исследуемой части тела и необходимости проведения дополнительных процедур (например, введения контраста). Так МРТ головного мозга будет стоить дороже томографии одной кисти руки. Запишитесь на исследование по телефону в Москве: +7 495 266-85-01 или оставьте заявку на сайте.

Дает исследователю очень много информации об анатомическом строении органа, ткани или другого объекта, который попадает в поле видимости. Однако, чтобы сложилась целостная картина происходящих процессов, не хватает данных о функциональной активности. И для этого как раз существует BOLD-функциональная магнитно-резонансная томография (BOLD - blood oxygenation level dependent contrast, или контрастность, зависящая от степени насыщения крови кислородом).

BOLD фМРТ - это один из наиболее применимых и широко известных способов определять мозговую активность. Активация приводит к усилению местного кровотока с изменением относительной концентрации оксигенированного (обогащенного кислородом) и дезоксигенированного (бедного кислородом) гемоглобина в местном кровотоке.

Рис.1. Схема реакции мозгового кровотока в ответ на возбуждение нейронов.

Дезоксигенированная кровь является парамагнетиком (веществом, способным намагничиваться) и ведет к падению уровня сигнала МРТ. Если же в области мозга больше оксигенированной крови – уровень МРТ-сигнала увеличивается. Таким образом, кислород в крови выполняет роль эндогенного контрастного вещества.

Рис.2. Объём мозгового кровоснабжения (а ) и BOLD- ответ фМРТ (b ) при активации первичной моторной коры человека . Сигнал проходит в 4 стадии . 1 стадия – вследствие активации нейронов повышается потребление кислорода , увеличивается количество дезоксигенированной крови , BOLD — сигнал немного уменьшается (на графике не показано , уменьшение незначительное ). Сосуды расширяются , вследствие чего несколько уменьшается кровоснабжение мозговой ткани . Стадия 2 – длительное увеличение сигнала . Потенциал действия нейронов заканчивается , но поток оксигенированной крови увеличивается инерционно , возможно вследствие воздействия биохимических маркеров гипоксии . Стадия 3 – длительное снижение сигнала вследствие нормализации кровоснабжения . 4 стадия – постстимульный спад – вызван медленным восстановлением первоначального кровоснабжения.

Для активации работы нейронов в определённых областях коры существуют специальные активирующие задания. Дизайн заданий, как правило, бывает двух видов: «block» и «event-related». Каждый вид предполагает наличие двух чередующихся фаз - активного состояния и покоя. В клинической фМРТ чаще используются задания вида «block». Выполняя такие упражнения, испытуемый чередует так называемые ON- (активное состояние) и OFF- (состояние покоя) периоды одинаковой или неравной продолжительности. Например, при определении области коры, отвечающей за движения рук, задания состоят из чередующихся движений пальцами и периодов бездействия, продолжительностью в среднем около 20 секунд. Действия повторяют несколько раз для увеличения точности результата фМРТ. В случае задания «event-related» испытуемый выполняет одно короткое действие (например, глотание или сжатие кулака), за которым следует период покоя, при этом действия, в отличие от блокового дизайна, чередуются неравномерно и непоследовательно.

На практике BOLD фМРТ используется при предоперационном планировании резекции (удаления) опухолей, диагностике сосудистых мальформаций, при операциях при тяжелых формах эпилепсии и других поражений головного мозга. В ходе операции на головном мозге важно максимально точно удалить участок поражения, в то же время избегая излишнего повреждения соседних фунционально важных участков головного мозга.

Рис.3.

а – трёхмерное МРТ — изображение головного мозга . Стрелкой указано расположение моторной коры в прецентральной извилине .

b – карта фМРТ —активности мозга в прецентральной извилине при движении рукой.

Метод очень эффективен при изучении дегенеративных заболеваний, например, болезней Альцгеймера и Паркинсона, особенно на ранних стадиях. Он не предполагает использования ионизирующего излучения и рентгеноконтрастных веществ, к тому же, он неинвазивен. Поэтому его можно считать довольно безопасным для пациентов, которые нуждаются в длительных и регулярных фМРТ-обследованиях. ФМРТ можно применять для исследования механизмов формирования эпилептических приступов и позволяет избежать удаления функциональной коры у больных с трудноизлечимой эпилепсией лобной доли. Наблюдение за восстановлением мозга после инсультов, изучение влияния лекарственных средств или другой терапии, наблюдение и контроль лечения психиатрических заболеваний – это далеко не полный перечень возможного применения фМРТ. Кроме этого, существует еще фМРТ покоя, в которой сложная обработка данных позволяет увидеть сети мозга, функционирующие в состоянии покоя.

Источники:

How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal? Owen J.Arthur, Simon Boniface. TRENDS in Neurosciences Vol.25 No.1 January 2002
The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI) R. B. Buxton. Rep. Prog. Phys. 76 (2013)
Применение функциональной магнитно-резонансной томографии в клинике. Научный обзор. Беляев А., Пек Кюнг К., Бреннан Н., Холодный А. Russian electronic journal of radiology. Том 4 №1 2014г.
Мозг, познание, разум: введение в когнитивные нейронауки. Часть2 . Б. Баарс, Н. Гейдж. М.: Бином. 2014г. С. 353-360.

Текст: Дарья Прокудина

Изменение активности кровотока регистрируется функциональной магнитно-резонансной томографией (ФМРТ). Способ применяется с целью определения локализации артерий, для оценки микроциркуляции центров зрения, речи, движения, коры некоторых других функциональных центров. Особенность картирования – пациента просят выполнять определенные задачи, повышающие активность нужного мозгового центра (читать, писать, разговаривать, двигать ногами).

На заключительной стадии программное обеспечение формирует изображение путем суммации обычных послойных томограмм и картинок мозга с функциональной нагрузкой. Комплекс информации отображает трехмерная модель. Пространственное моделирование позволяет специалистами детально изучить объект.

Вместе с МРТ спектроскопией исследование выявляет все особенности метаболизма патологических образований.

Принципы функциональной МРТ головного мозга

Магнитно-резонансная томография основана на регистрации измененной радиочастоты атомов водорода жидких сред после воздействия сильным магнитным полем. Классическое сканирование показывает мягкотканые компоненты. Для улучшения видимости сосудов проводится внутривенное контрастирование парамагнетиком гадолинием.

Функциональная МРТ регистрирует активность отдельных зон коры мозга за счет учета магнитного эффекта гемоглобина. Вещество после отдачи молекулы кислорода тканям становится парамагнетиком, радиочастоту которого улавливают датчики аппарата. Чем интенсивнее кровоснабжение мозговой паренхимы, тем качественнее сигнал.

Магнетизация ткани дополнительно повышается за счет окисления глюкозы. Вещество необходимо для обеспечения процессов тканевого дыхания нейронов. Изменение магнитной индукции регистрируется датчиками устройства, обрабатывается программным приложением. Высокопольные аппараты создают разрешение высокой степени качества. На томограмме прослеживается детальное изображение деталей диаметром до 0,5 мм диаметром.

Функциональное исследование МРТ регистрирует сигнал не только от базальных ганглиев, поясной коры, таламуса, но и от злокачественных опухолей. Новообразования имеют собственную сосудистую сеть, по которой внутрь образования поступает глюкоза, гемоглобин. Отслеживание сигнала позволяет изучить контуры, диаметр, глубину проникновения опухоли внутрь белого или серого вещества.

Функциональная диагностика МРТ головного мозга требует квалификации врача лучевой диагностики. Разные зоны коры характеризуются различной микроциркуляцией. Насыщение гемоглобином, глюкозой влияет на качество сигнала. Учитывать следует структуру молекулы кислорода, наличие альтернативных заменителей атомов.

Сильное магнитное поле увеличивает период полураспада кислорода. Эффект работает при мощности аппарата более 1,5 Тесла. Более слабые установки нельзя не смогут исследовать функциональную активность мозга.

Метаболическую интенсивность кровоснабжения опухоли лучше определять высокопольным оборудованием мощностью 3 Тесла. Высокое разрешение позволит зарегистрировать небольшой очаг.

Эффективность сигнала научным языком называется «гемодинамическим ответом». Термин применяется для описания скорости нейронных процессов с интервалом 1-2 секунды. Кровоснабжения тканей не всегда достаточно для функциональных исследований. Повышается качество результата дополнительным введением глюкозы. После стимуляции пик насыщения наступает через 5 секунд, когда и проводится сканирование.

Технические особенности функционального исследования МРТ мозга

Функциональная диагностика МРТ основана на повышении активности нейронов после стимуляции мозговой активности путем выполнения человеком определенного задания. Внешний раздражитель вызывает стимуляцию сенсорной или моторной активности определенного центра.

Для отслеживания участка включается режим градиентного эха на основе импульсной эхопланарной последовательности.

Анализ сигнала активной зоны на МРТ делается быстро. Регистрация одной томограммы выполняется на интервале в 100 мс. Диагностика выполняется после стимуляции и в периоде покоя. Программное обеспечение использует томограммы для вычисления очагов нейрональной активности, наложения участков усиленного сигнала на трехмерную модель мозга в покое.

Лечащим врачам данный тип МРТ предоставляет информацию о патофизиологических процессах, которые нельзя отследить другими диагностическими методами. Изучение когнитивных функций необходимо нейропсихологам для дифференцировки психических и психологических заболеваний. Исследование помогает верифицировать эпилептические очаги.

Финальная карта картирования показывает не только участки повышенной функциональной стимуляции. Снимки визуализируют зоны сенсомоторной, слуховой речевой активности вокруг патологического очага.

Построение карт расположения мозговых каналов называется трактографией. Функциональная значимость расположения зрительного, пирамидного тракта перед планированием оперативного вмешательства позволяет нейрохирургам правильно спланировать расположения надрезов.

Что показывает ФМРТ

Высокопольное МРТ с функциональными пробами назначается по показаниям, когда требуется изучить патофизиологические основы функционирования моторных, сенсорных, зрительных, слуховых зон мозговой коры головного мозга. Нейропсихиологи применяют исследование у пациентов с нарушением речи, внимания, памяти, когнитивных функций.

С помощью ФМРТ выявляется ряд заболеваний на начальной стадии – Альцгеймера, Паркинсона, демиелинизацию при рассеянном склерозе.

Функциональная диагностика в разных медицинских центрах выполняется на различных установках. Знает, что показывает МРТ головного мозга , врач-диагност. Консультация специалиста обязательно проводится перед обследованием.

Высокое качество результатов достигается сканированием сильным магнитным полем. Перед выбором медицинского центра рекомендуем узнать тип установленного аппарата. Важна квалификация специалиста, который должен владеть знаниями о функциональной, структурной составляющей головного мозга.

Будущее функциональной диагностики МРТ в медицине

Функциональные исследования недавно внедрены в практическую медицину. Возможности метода использованы недостаточно.

Ученые разрабатывают методики визуализации снов, чтения мыслей с помощью функциональной МРТ. Предполагается использование томографии для выработки метода общения с парализованными людьми.

Нейронной возбудимости;
Психической активности;
Степени насыщения мозговой коры кислородом, глюкозой;
Количества дезоксилированного гемоглобина в капиллярах;
Участков расширения кровотока;
Уровня оксигемоглобина в сосудах.

Достоинства исследования:

Качественная временная картинка;
Пространственное разрешение выше 3 мм;
Возможность изучения мозга до и после стимуляции;
Безвредность (при сравнении с ПЭТ);
Отсутствие инвазивности.

Ограничивает массовое использование функционального МРТ головного мозга высокая стоимость оборудования, каждого единичного обследования, невозможность прямого измерения нейрональной активности, нельзя делать пациентам с металлическими включениями в теле (сосудистые клипсы, ушные импланты).

Регистрация функционального метаболизма мозговой коры имеет большое диагностическое значение, но не является точным показателем для динамической оценки изменений головного мозга на фоне лечения, после оперативного вмешательства.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - способ получения томографических медицинских изображений для неинвазивного исследования внутренних органов и тканей , основанный на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Технология появилась несколько десятков лет назад, и сегодня пройти обследование на таком аппарате можно во многих современных клиниках. Однако ученые продолжают работать над повышением точности технологии и разработкой новых, более эффективных систем. , старший научный сотрудник Института Макса Планка в Тюбингене (Германия) , - один из ведущих специалистов, который разрабатывает новые датчики для экспериментальных сверхвысокопольных МРТ. Накануне он провел спецкурс на программе магистратуры « Радиочастотные системы и устройства » Университета ИТМО, а в интервью ITMO.NEWS рассказал о своей работе и о том, как новые исследования в области МРТ помогут сделать диагностику заболеваний эффективнее.

Последние несколько лет вы работаете в департаменте High-field Magnetic Resonance Института Макса Планка. Расскажите, пожалуйста, чему посвящены ваши текущие исследования?

Я занимаюсь разработкой новых радиочастотных (РЧ) датчиков для МРТ. Что такое МРТ, наверное, сейчас известно уже большинству людей, поскольку за последние 40 лет, с тех пор как эту технологию разработали, она успела прийти в огромное количество клиник и стать незаменимым инструментом диагностики. Но и сегодня люди работают над улучшением этой технологии, разрабатывая новые системы МРТ.

МРТ - это в первую очередь огромный цилиндрический магнит, в который помещается пациент или волонтер для получения трехмерного изображения. Но прежде чем это изображение создать, нужно провести огромную исследовательскую работу. Ее ведут инженеры, физики, врачи и другие специалисты. Я являюсь одним из звеньев в этой цепи и занимаюсь исследованиями на стыке физики и инженерии. Более конкретно - мы разрабатываем датчики для сверхвысокопольного экспериментального МРТ, которое используется на стадии возбуждения, приема и обработки сигнала, полученного в результате физического эффекта ЯМР.

Одно из основных направлений - разработка новых экспериментальных сверхвысокопольных систем МРТ, то есть использующих более высокое постоянное магнитное поле, что позволяет улучшить разрешение изображения или уменьшить время сканирования, что очень важно для многих клинических исследований и диагностики.

Обычные клинические томографы используют постоянные поля до 3 Т, но сейчас появляются экспериментальные томографы с магнитным полем 7 Т и выше. Принято называть томографы с магнитным полем 7 Т и выше сверхвысокопольными. Томографов с полем в 7 Т в мире уже насчитывается около ста, но ведутся разработки по дальнейшему увеличению магнитного поля. Например, у нас в Институте Макса Планка в Тюбингене есть МРТ аппарат 9,4 Т.

Но даже при переходе от 7 к 9,4 Т, возникает много технических проблем, требующих серьезных научно-технических разработок, включая расчет и конструирование датчиков для МРТ нового поколения.

В чем заключаются эти сложности?

Увеличение постоянного магнитного поля приводит к соответствующему увеличению частоты РЧ-датчиков. Например, клинические 3 Т томографы используют датчики с резонансной частотой около 120 МГц, тогда как 7 Т томограф требует датчики с частотой в 300 МГц. Это в первую очередь приводит к укорочению длины волны РЧ-поля в тканях человека. Если частота 120 МГц соответствует примерно длине волны в 35-40 сантиметров, то на частоте 300 МГц она уменьшается до величины около 15 см, что гораздо меньше размеров тела человека.

В результате этого эффекта чувствительность РЧ-датчиков может сильно искажаться при изучении больших объектов (больше длины волны). Это приводит к трудностям в интерпретации изображений и диагностики клинических заболеваний и патологий. В поле 9,4 Т, что соответствует частоте датчиков в 400 МГц, все эти проблемы становятся еще более критичными.

То есть такие снимки становятся фактически нечитаемыми?

Я бы так не сказал. Выражаясь точнее, в некоторых случаях это затрудняет их интерпретацию. Тем не менее, существуют группы, разрабатывающих методики для получения МР-изображений всего тела человека. Однако задачи нашей группы, сосредоточены в первую очередь на исследовании головного мозга.

Какие именно возможности для медицины открывают исследования в области сверхвысокопольного МРТ?

Как вы знаете, при МРТ человек должен лежать неподвижно: если вы начинаете двигаться во время измерений, картинка получится искаженной. При этом какие-то методики МРТ могут занимать до часа, и понятно, что не двигаться в течение всего этого времени сложно. Повышенная чувствительность сверхвысокопольных томографов дает возможность получать изображения не только с более высоким разрешением, но и гораздо быстрее. Это в первую очередь важно при исследовании детей и пациентов пожилого возраста.

Нельзя также не сказать о возможностях для магнитно-резонансной спектроскопии (МРС, метод, позволяющий определить биохимические изменения тканей при различных заболеваниях по концентрации определенных метаболитов - прим.ред. ).

В МРТ основным источником сигнала являются атомы водорода молекул воды. Но, кроме этого, существуют и другие атомы водорода, находящиеся в других молекулах, которые важны для функционирования человеческого организма. В качестве примера можно привести различные метаболиты, нейромедиаторы и т.д. Измерение пространственного распределения этих веществ с помощью МРС может дать полезную информацию для изучения патологий связанных с нарушением метаболизма в организме человека. Часто чувствительность клинических томографов недостаточна для их изучения из-за их низкой концентрации и, как следствие, меньшего сигнала.

В дополнение к этому можно наблюдать ЯМР-сигнал не только от атомов водорода, но и других магнитных атомов, которые тоже очень важны для диагностики заболеваний и медицинских исследований. Однако, во-первых, их ЯМР-сигнал гораздо слабее за счет меньшего гиромагнитного отношения и, во-вторых, их естественное содержание в теле человека гораздо меньше чем атомов водорода. Повышенная чувствительность сверхвысокопольного МРТ исключительно важна для МРС.

Еще одним важным направлением МРТ-методик, для которых критически важна повышенная чувствительность, является функциональная МРТ – важная методика для когнитивных исследований мозга человека.

Пока в подавляющем большинстве клиник мира нет высокопольных томографов. Каковы перспективы того, что томографы 7 Т, а после и 9 Т смогут использоваться в обычной диагностике?

Чтобы томограф пришел в клинику, он должен быть сертифицирован, проверен по условиям безопасности, должна быть составлена соответствующая документация. Это достаточно сложная и длительная процедура. Пока существует только одна компания в мире, которая начала сертифицировать не только датчики, которые мы делаем, но и сам прибор. Это компания Siemens.

Томографы 7 Т есть, их не так много, и полностью клиническими их пока назвать нельзя. То, что я назвал, это предклинический вариант, но это устройство уже сертифицировано, то есть потенциально может использоваться в клиниках.

Предсказать, когда в клиниках появятся томографы 9,4 Т, еще сложнее. Основная проблема здесь заключается в возможном локальном нагрева тканей РЧ-полем датчика за счет сильного уменьшения длины волны. Один из важных направлений инженерных исследований сверхвысокопольной МРТ является детальное численное моделирование этого эффекта для обеспечения безопасности пациентов. Несмотря на то, что подобные исследования ведутся в рамках научных учреждений, переход в клиническую практику требует дополнительных изысканий.

Как сейчас строится сотрудничество между Институтом Макса Планка и Университетом ИТМО? Какие совместные результаты вам уже удалось получить?

Работа продвигается очень успешно. Сейчас с нами работает , аспирант Университета ИТМО. Недавно мы опубликовали статью в одном из ведущих журналов, посвященную техническим разработкам в области МРТ. В этой работе мы экспериментально подтвердили результаты предыдущих теоретических исследований, позволяющих улучшить чувствительность сверхвысокопольных РЧ-датчиков за счет использования модифицированных и оптимизированных дипольных антенн. Итог этой работы, на мой взгляд, получился очень многообещающий.

Сейчас мы также работаем еще над несколькими статьями, которые посвящены использованию подобных методов, но уже для других задач. А недавно Георгий получил грант на поездку в Германию. В следующем месяце он приезжает к нам на полгода, и мы продолжим совместную работу по дальнейшей разработке датчиков для МРТ.

На этой неделе вы провели спецкурс на программе магистратуры «Радиочастотные системы и устройства». Какие главные темы вы затронули?

Курс посвящен различным техническим особенностям разработки датчиков для МРТ. В этой сфере есть много тонкостей, которые необходимо знать, поэтому я представил ряд базисных методик, которые используются для разработки и изготовления этих датчиков. Кроме того, я представил лекцию о своих последних разработках. Всего курс включает восемь лекций по два академических часа, которые рассчитаны на четыре дня. В конце также проводится демонстрация, которая позволяет более доходчиво объяснить эти методики.

Студенты магистратуры сейчас находятся в процессе выбора своего будущего направления, поэтому, думаю, этот курс даст им дополнительную информацию для оценки своих перспектив.

А если говорить в целом об образовании в области МРТ технологий, какие, на ваш взгляд, сегодня знания и навыки прежде всего требуются от таких специалистов?

Несмотря на то, что наша область сейчас стала очень популярной и перспективной для использования в клинической диагностике, каких-то инженерных курсов, которые готовили бы узкоспециализированных специалистов, занимающихся изготовлением катушек для МРТ, сейчас не существует. Образовалась некая брешь. И думаю, что мы вместе как раз можем ее заполнить.

Елена Меньшикова

Редакция новостного портала

КАТЕГОРИИ