Функционален ядрено-магнитен резонанс. Николай Авдиевич - за новите устройства за ядрено-магнитен резонанс и техните възможности Функционално ядрено-магнитен резонанс на мозъка

ТЕХНОЛОГИЯ

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

Научен център по неврология на Руската академия на медицинските науки (Москва)

От 90-те години. XX век, функционалният магнитен резонанс (fMRI) е един от водещите методи за картографиране на функционалните области на мозъка поради своята неинвазивност, липса на радиационно облъчване и относително широко приложение. Същността на тази техника е да се измерват хемодинамичните промени в отговор на невронната активност (BOLD ефект). За успеха на експеримент с fMRI е необходимо: наличието на подходяща техническа поддръжка (магнитен резонанс с високо поле, специално оборудване за изпълнение на задачи), разработване на оптимален дизайн на изследването, последваща обработка на получените данни. В момента техниката се използва не само за научни цели, но и в практическата медицина. Въпреки това, винаги трябва да помните някои ограничения и противопоказания, особено когато извършвате fMRI при пациенти с различни патологии. За правилното планиране на изследване и тълкуване на неговите резултати е необходимо да се включат различни специалисти: неврорадиолози, биофизици, невролози, психолози, тъй като fMRI е мултидисциплинарна техника.

Ключови думи: fMRI, BOLD контраст, дизайн на изследването, последваща обработка

В продължение на много векове учени и лекари се интересуват от това как функционира човешкият мозък. С развитието на научно-техническия прогрес стана възможно да се повдигне завесата на тази мистерия. И изобретяването и въвеждането в клиничната практика на такъв неинвазивен метод като ядрено-магнитен резонанс (MRI) стана особено ценно. MRI е сравнително млад метод: първият комерсиален 1,5 T томограф започва да работи едва през 1982 г. Въпреки това, до 1990 г. непрекъснатото техническо усъвършенстване на метода направи възможно използването му не само за изследване на структурните характеристики на мозъка, но и за проучете функционирането му. Тази статия ще се съсредоточи върху техника, която позволява картографиране на различни функционални области на мозъка - функционален магнитен резонанс (fMRI).

Основни принципи на fMRI техниката_

fMRI е техника за ЯМР, която измерва хемодинамичния отговор (промяна в кръвния поток), свързан с невронната активност. Базира се на две основни концепции: невроваскуларно взаимодействие и BOLD контраст.

fMRI не ни позволява да видим електрическата активност на невроните директно, но го прави индиректно, чрез локални промени в кръвния поток. Това е възможно благодарение на феномена на невроваскуларното взаимодействие - регионална промяна в кръвния поток в отговор на активирането на близките неврони. Този ефект се постига чрез сложна последователност от взаимосвързани реакции, протичащи в невроните, околната глия (астроцити) и ендотела на съдовата стена, тъй като с повишена активност невроните се нуждаят от повече кислород и хранителни вещества, донесени от кръвния поток. Техниката fMRI позволява директно да се оценят промените в хемодинамиката.

Това стана възможно през 1990 г., когато Сейджи Огава и колегите му от Bell Laboratories (САЩ) предложиха използването на BOLD контраст за изследване на физиологията на мозъка чрез ЯМР. Откриването им бележи началото на ерата

модерно функционално невроизобразяване и формира основата на повечето fMRI изследвания. BOLD контраст (буквално - зависим от нивото на оксигенация на кръвта, в зависимост от нивото на оксигенация на кръвта) е разликата в MR сигнала в изображения, използващи градиентни последователности в зависимост от процента на деоксихемоглобина. Деоксихемоглобинът има различни магнитни свойства от околните тъкани, което по време на сканиране води до локално смущение на магнитното поле и намаляване на сигнала в градиентната ехо последователност. Когато кръвният поток се увеличи в отговор на активирането на невроните, дезоксихемоглобинът се измива от тъканите и се заменя с наситена с кислород кръв, която има магнитни свойства, подобни на околните тъкани. Тогава смущението на полето намалява и сигналът не се потиска - и виждаме локалното му усилване (фиг. 1А).

По този начин, обобщавайки всичко по-горе, общата fMRI схема може да бъде представена по следния начин: активирането на невроните в отговор на действието на стимул и увеличаването на техните метаболитни нужди води до локално увеличаване на кръвния поток, записано по време на fMRI в формата на BOLD сигнал - продукт на невронна активност и хемодинамичен отговор (фиг. 1B).

ориз. 1: А - схематична илюстрация на VOS контраста в експеримента Oda\ga с промени в процентното съдържание на кислород в кръвта на плъхове; при вдишване на обикновен въздух (21% кислород) в кората (в горната част на фигурата) се определят зони с намален сигнал, съответстващи на съдове с високо съдържание на дезоксихемоглобин; при вдишване на чист кислород се отбелязва хомогенен MR сигнал от кората на главния мозък (в долната част на фигурата); B - обща схема за генериране на WOS сигнал

Планиране на експеримента

За да проведете изследване с fMRI, трябва да разполагате с MR томограф с високо поле (стойност на индукция на магнитно поле - 1,5 T и повече), различно оборудване за извършване на задачи по време на сканиране (слушалки, видео очила, проектор, различни дистанционни управления и джойстици за обратна връзка от субекти и др.). Важен фактор е желанието на субекта да сътрудничи.

Схематично самият процес на сканиране (използвайки примера за визуална стимулация) изглежда така (фиг. 2): обектът е в томографа; чрез специална система от огледала, фиксирани над главата му, той има достъп до изображения, показвани чрез видеопроектор на екрана. За обратна връзка (ако това е заложено в задачата) пациентът натиска бутон на дистанционното управление. Предоставянето на стимули и наблюдението на изпълнението на задачата се извършва с помощта на конзолата в контролната зала.

Задачите, които субектът изпълнява, могат да бъдат различни: визуални, когнитивни, двигателни, речеви и др., в зависимост от поставените цели. Съществуват два основни вида представяне на стимулите в задача: под формата на блокове – блоков дизайн, и под формата на отделни изолирани стимули – дискретен дизайн (фиг. 3). Възможна е и комбинация от двете опции - смесен дизайн.

Най-разпространеният, особено при двигателните задачи, е блоковият дизайн, когато еднакви стимули се събират в блокове, редуващи се един с друг. Пример за това е задачата за стискане на гумена топка (всяко стискане е отделен стимул) за определен период от време (средно 20-30 s), редуван с периоди на почивка с подобна продължителност. Този дизайн има най-голяма статистическа сила, тъй като сумира отделните BOLD сигнали. Въпреки това, като правило, той е предсказуем за пациентите и не позволява оценка на отговора на единичен стимул и следователно не е подходящ за някои задачи, по-специално когнитивни.

ориз. 2: Схема на експеримента с fMRI (въз основа на материали от ресурса http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, с модификации)

Блокирайте

Дискретно (свързано със събитие)

A 11 i A D1 iil iitU I I,

ориз. 3: Основни типове дизайни на fMRI изследвания

Функционален ядрено-магнитен резонанс

За тази цел има дискретен дизайн, когато стимулите се представят в хаотичен ред на различни интервали от време. Например, на субект с арахнофобия се показват неутрални изображения (цветя, сгради и т.н.), сред които от време на време се появяват изображения на паяк, което позволява да се оцени мозъчната активация в отговор на неприятни стимули. При блоков дизайн това би било трудно: първо, субектът знае кога ще се появи блокът и вече се подготвя за него предварително, и второ, ако същият стимул се представя дълго време, реакцията към него се притъпява. Това е дискретен дизайн, който може да се използва в fMRI като детектор на лъжата или в маркетингови проучвания, когато на доброволци се показват различни версии на продукт (неговата опаковка, форма, цвят) и се наблюдават техните несъзнателни реакции.

И така, избрахме дизайн на задачата и извършихме сканиране. Какво получаваме в резултат? Първо, има 4D серия от функционални данни в градиентна ехо последователност, която представлява множество повтарящи се сканирания на целия обем на мозъка по време на задачата. И второ, 3D обем от анатомични данни с висока разделителна способност: например 1 x 1 x 1 mm (фиг. 4). Последното е необходимо за точно картографиране на зоните на активиране, тъй като функционалните данни имат ниска пространствена разделителна способност.

Последваща обработка на данни_

Промените в MR сигнала в областите на мозъчна активация при различни условия са само 3-5%, те са неуловими за човешкото око. Следователно получените функционални данни след това се подлагат на статистически анализ: за всеки воксел на изображението се изгражда крива на зависимостта на интензитета на MR сигнала от времето при различни условия – експериментални (подаване на стимул) и контролни. В резултат на това получаваме статистическа карта за активиране, комбинирана с анатомични данни.

Но преди директно извършване на такъв анализ е необходимо да се подготвят „суровите“ данни, получени в края на сканирането, и да се намали променливостта на резултатите, която не е свързана с експерименталната задача. Алгоритъмът за подготовка е многоетапен процес и е много важен за разбирането на възможни неуспехи и грешки при интерпретирането на получените резултати. В момента има различни програми -

Ш -.V ж<# %>

40 4"r h® Ф W

ориз. 4: Серия от функционални (A) и анатомични (B) данни, получени в края на сканирането

Нов софтуер за предварителна обработка на получените данни, произведен както от производители на ЯМР скенери, така и от независими fMRI изследователски лаборатории. Но въпреки разликите в използваните методи, техните имена и представяне на данните, всички етапи на подготовка се свеждат до няколко основни стъпки.

1. Корекция на движението на главата на субекта. При изпълнение на задачи това е неизбежно, въпреки използването на различни устройства за фиксиране на главата (маски, скоби на бобината на главата и др.). Дори минималното движение може да доведе до големи изкуствени промени в интензитета на MR сигнала между последователни обеми данни, особено ако движението на главата е свързано с изпълнението на експериментална задача. В този случай е трудно да се разграничи “истинската” BOLD активация от “изкуствената” активация - възникваща в резултат на движението на субекта (фиг. 5).

Общоприето е, че оптималното изместване на главата е не повече от 1 mm. В този случай изместването, перпендикулярно на равнината на сканиране (посоката "глава - крака") е значително по-лошо за правилната статистическа обработка на резултатите, отколкото изместването в равнината на сканиране. На този етап се използва алгоритъм за трансформация на твърдо тяло - пространствена трансформация, при която се променят само позицията и ориентацията на обекта, а неговите размери или форма са постоянни. На практика обработката изглежда така: избира се референтен (обикновено първият) функционален обем от изображения и всички следващи функционални обеми се подравняват математически с него, подобно на това как подравняваме хартиени листове в купчина.

2. Основна регистрация на функционални и анатомични данни.

Разликите в положението на главата на субекта са сведени до минимум. Компютърна обработка и сравнение на анатомични данни с висока разделителна способност и функционални данни с много ниска разделителна способност също се извършват, за да се даде възможност за последващо локализиране на зоните на активиране.

ориз. 5: Пример за изместване на главата на пациента по време на сканиране при изпълнение на двигателна парадигма. В горната част на фигурата има графика на движението на главата на субекта в три взаимно перпендикулярни равнини: средната крива отразява изместването на пациента по оста z (посоката "глава-пръсти") и ясно се отклонява при началото на движението и в края му. В долната част има статистически карти на активиране на същия обект без корекция на движението. Типичните артефакти на движение се идентифицират под формата на половин пръстени по ръба на мозъчната материя

В допълнение, разликите, свързани с различните режими на сканиране, са сведени до минимум (обикновено за функционални данни това е режимът „градиентно ехо“, за анатомични данни - T1). По този начин режимът на градиентно ехо може да даде известно разтягане на изображението по една от осите в сравнение със структурните изображения с висока разделителна способност.

3. Пространствена нормализация. Известно е, че формата и размерът на човешкия мозък варира значително. За сравняване на данни, получени от различни пациенти, както и за обработка на цялата група като цяло, се използват математически алгоритми: така наречената афинна трансформация. В този случай се трансформират образите на отделните области на мозъка - разтягане, компресия, разтягане и др. - последвано от редуциране на конструктивните данни до единна пространствена координатна система.

В момента двете най-често срещани пространствени координатни системи в fMRI са системата Thaleras и системата на Монреалския неврологичен институт. Първата е разработена от френския неврохирург Жан Талайрак през 1988 г. въз основа на посмъртни измервания на мозъка на 60-годишна французойка. След това бяха дадени координатите на всички анатомични области на мозъка спрямо референтната линия, свързваща предната и задната комисури. Всеки мозък може да бъде поставен в това стереотаксично пространство и областите на интерес могат да бъдат описани с помощта на триизмерна координатна система (x, y, z). Недостатъкът на такава система е, че съдържа данни само от един мозък. Следователно по-популярната система е разработена в Монреалския неврологичен институт (MNI) въз основа на общото изчисление на Т1 образни данни от 152 канадци.

Въпреки че и в двете системи броенето се извършва от линията, свързваща предната и задната комисури, координатите на тези системи не са идентични, особено когато се приближават до конвекситалните повърхности на мозъка. Това трябва да се има предвид, когато се сравняват получените резултати с данни от работата на други изследователи.

Трябва да се отбележи, че този етап на обработка не се използва за предоперативно картографиране на зоните на функционално активиране в неврохирургията, тъй като целта на fMRI в такава ситуация е да оцени точно местоположението на тези зони при конкретен пациент.

4. Изглаждане. Пространствената нормализация никога не е точна, така че хомоложните региони и следователно техните зони на активиране не са 100% последователни. За постигане на пространствено припокриване на подобни зони на активиране в група субекти, подобряване на съотношението сигнал/шум и по този начин повишаване на надеждността на данните, се използва функция за изглаждане на Гаус. Същността на този етап на обработка е да се "размият" зоните на активиране на всеки субект, в резултат на което областите на тяхното припокриване се увеличават по време на груповия анализ. Недостатък: пространствената разделителна способност се губи.

Сега най-накрая можем да преминем директно към статистически анализ, в резултат на който получаваме данни за зоните на активиране под формата на цветни карти, насложени върху анатомичните данни. Същите данни могат

Функционален ядрено-магнитен резонанс

Статистика: p-va/ues коригирани за обема на търсене

зададено ниво неизотропно коригирано ниво на клъстер ниво воксел

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

^ свързан "E ^ некоригиран PFWE-con ^ FDR-con T (U ^ несвързан

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

ориз. 6: Пример за представяне на резултатите от статистическата последваща обработка. Вляво - зони на активиране при изпълнение на двигателна парадигма (повдигане - спускане на десния показалец), съчетано с обемна реконструкция на мозъка. Вдясно - статистически данни за всяка зона на активиране

да бъдат представени в цифров формат, показващ статистическата значимост на зоната на активиране, нейния обем и координати в стереотаксичното пространство (фиг. 6).

Приложения на fMRI_

В какви случаи се прави fMRI? Първо, за чисто научни цели: това е изследване на функционирането на нормалния мозък и неговата функционална асиметрия. Тази техника съживи интереса на изследователите към картографирането на мозъчните функции: без да прибягвате до инвазивни интервенции, можете да видите кои области на мозъка са отговорни за определен процес. Може би най-големият напредък е постигнат в нашето разбиране за висшите когнитивни процеси, включително вниманието, паметта и изпълнителните функции. Подобни изследвания направиха възможно използването на fMRI за практически цели, далеч от медицината и неврологията (като детектор на лъжата, в маркетингови проучвания и др.).

В допълнение, fMRI се използва активно в практическата медицина. Понастоящем тази техника се използва широко в клиничната практика за предоперативно картографиране на основни функции (моторни, говорни) преди неврохирургични интервенции за заемащи пространството мозъчни лезии или трудноразрешима епилепсия. В САЩ дори има официален документ - практическо ръководство, съставено от Американския колеж по радиология и Американското дружество по неврорадиология, в който подробно се описва цялата процедура.

Изследователите също се опитват да въведат fMRI в рутинната клинична практика за различни неврологични и психиатрични заболявания. Основната цел на многобройни разработки в тази област е да се оценят промените във функционирането на мозъка в отговор на увреждане на една или друга негова област - загуба и (или) превключване на зони, тяхното изместване и т.н., както и динамични наблюдение на преструктурирането на зоните на активиране в отговор на лекарствената терапия и (или) рехабилитационните мерки.

В крайна сметка изследванията на fMRI, проведени върху пациенти от различни категории, могат да помогнат за определяне на прогностичната стойност на различни възможности за функционално преструктуриране на кората за възстановяване на нарушените функции и разработване на оптимални алгоритми за лечение.

Възможни неуспехи на проучването_

Когато планирате fMRI, винаги трябва да имате предвид различни противопоказания, ограничения и възможни

източници на грешки при интерпретацията на данните, получени както за здрави доброволци, така и за пациенти.

Те включват:

Всякакви фактори, влияещи върху невроваскуларното взаимодействие и хемодинамиката и в резултат на това BOLD контраст; следователно винаги трябва да се вземат предвид възможни промени в церебралния кръвен поток, например поради оклузии или тежки стенози на главните артерии на главата и шията или приемане на вазоактивни лекарства; Също така са известни факти за намаляване или дори инверсия на BOLD отговора при някои пациенти със злокачествени глиоми поради нарушена авторегулация;

Пациентът има противопоказания, общи за всяко изследване с ЯМР (пейсмейкъри, клаустрофобия и др.);

Метални конструкции в областта на лицевите (мозъчни) части на черепа (неснемаеми зъбни протези, клипси, пластини и др.), предизвикващи изразени артефакти в режим „градиентно ехо”;

Липса (затрудненост) на сътрудничество от страна на субекта по време на изпълнение на задачата, свързана както с когнитивния му статус, така и с намалено зрение, слух и др., както и с липса на мотивация и подходящо внимание за изпълнение на задачата;

Изразено движение на субекта при изпълнение на задачи;

Неправилно планиран дизайн на изследването (избор на контролна задача, продължителност на блокове или цялото изследване и др.);

Внимателно разработване на задачите, което е особено важно за клинични fMRI, както и при изучаване на група хора или един и същ обект във времето, за да могат да се сравняват получените зони на активиране; задачите трябва да бъдат възпроизводими, тоест еднакви през целия период на обучението и да могат да се изпълняват от всички субекти; Едно възможно решение за пациенти, които не могат самостоятелно да изпълняват задачи, свързани с движение, е използването на пасивни парадигми, използващи различни устройства за движение на крайниците;

Неправилен избор на параметри на сканиране (време за ехо - TE, време за повторение - TR);

Неправилни параметри за последваща обработка на данни на различни етапи;

Неправилна интерпретация на получените статистически данни, неправилно картографиране на зоните на активиране.

Заключение

Въпреки горните ограничения, fMRI е важна и многофункционална съвременна невроизобразяваща техника, която съчетава предимствата на високата пространствена разделителна способност и неинвазивността с липсата на необходимост от интравенозен контраст.

усилване и излагане на радиация. Тази техника обаче е много сложна и за успешното изпълнение на задачите, възложени на изследователя, работещ с fMRI, е необходим мултидисциплинарен подход - включване в изследването не само на неврорадиолози, но и на биофизици, неврофизиолози, психолози, логопеди, клинични лекари, и математици. Само в този случай е възможно да се използва пълният потенциал на fMRI и да се получат наистина уникални резултати.

Библиография

1. Ashburner J., Friston K. Мултимодална корегистрация и разделяне на изображения - единна рамка. Neurolmage 1997; 6 (3): 209-217.

2. Брайън Н. Пасли, Ралф Д. Фрийман. Невроваскуларно свързване. Scholarpedia 2008; 3(3):5340.

3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. Ефект на възрастта и степента на тумора върху BOLD функционално MR изображение при предоперативна оценка на пациенти с глиома. Радиология 2008; 3: 971-978.

4. Filippi M. fMRI техники и протоколи. Humana Press 2009: 25.

5. Фристън К. Дж., Уилямс С., Хауърд Р. и др. Свързани с движението ефекти във времевите серии на fMRI. Магн. Причина. Med. 1996 г.; 35: 346-355.

6. Glover, G.H., Lai S. Самонавигирана спирала fMRI: Преплитане срещу единична снимка. Магн. Причина. Med. 1998 г.; 39: 361-368.

7. Haller S, Bartsch A.J. Клопки в fMRI. Евро. Радиол. 2009 г.; 19: 2689-2706.

8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. и др. ЯМР, зависим от нивото на оксигенация на кръвта на церебрални глиоми по време на задържане на дишането. J. Magn. Reson Imaging 2004; 2: 160-167.

9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. Функционално магнитно резонансно изображение. Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.

10. Огава С., Лий Т.М. Магнитен резонанс на кръвоносни съдове при високи полета: In vivo и in vitro измервания и симулация на изображения. Магн. Причина. Med. 1990 г.; 16 (1): 9-18.

Магнитно-резонансната томография е незаменима при диагностиката на много заболявания и дава възможност за детайлна визуализация на вътрешните органи и системи.

Отделението за ЯМР на клиниката NACFF в Москва е оборудвано с томограф с високо поле Siemens MAGNETOM Aera с отворен тунелен дизайн. Мощността на томографа е 1,5 тесла. Оборудването позволява изследване на хора с тегло до 200 кг, ширината на апаратния тунел (апертура) е 70 см. В нашата клиника можете да направите ЯМР на гръбначен стълб, стави, вътрешни органи, включително с въвеждането на контрастно вещество , както и да се подложи на ядрено-магнитен резонанс на главния мозък Цената на диагностиката е достъпна, а стойността на получените резултати е невероятно висока. Общо се извършват над 35 вида изследвания с магнитен резонанс.

След диагностиката с ЯМР лекарят провежда разговор с пациента и издава диск със записа. Заключението се предава по имейл.

Подготовка

Повечето прегледи с магнитен резонанс не изискват специална подготовка. Въпреки това, например, за ЯМР на коремната кухина и тазовите органи се препоръчва да се въздържате от ядене и пиене 5 часа преди изследването.

Преди да посетите центъра за ядрено-магнитен резонанс (в деня на прегледа), трябва да носите удобно облекло без метални елементи.

Противопоказания

Противопоказанията за ядрено-магнитен резонанс се дължат на факта, че по време на изследването се генерира мощно магнитно поле, което може да повлияе на електрониката и металите. Въз основа на това, абсолютно противопоказание за ЯМР е наличието на:

• пейсмейкър;
• невростимулатор;
• електронен имплант за средно ухо;
• метални скоби за съдове;
• инсулинови помпи

Инсталиран пейсмейкър, невростимулатор, електронен имплант за средно ухо, метални щипки на кръвоносните съдове, инсулинови помпи.

Ограничения при извършване

Ако имате инсталирани големи метални конструкции (например ставна ендопротеза), ще ви е необходим документ за възможността и безопасността на извършване на ЯМР. Това може да бъде сертификат за имплант (обикновено се издава след операцията) или сертификат от хирурга, извършил интервенцията. Повечето от тези конструкции са направени от медицински титан, който не пречи на процедурата. Но във всеки случай, преди прегледа, кажете на лекаря в радиологичния отдел за наличието на чужди предмети в тялото - корони в устната кухина, пиърсинг и дори татуировки (в последното могат да се използват бои, съдържащи метал) .

Цената на ядрено-магнитен резонанс зависи от изследваната част от тялото и необходимостта от допълнителни процедури (например инжектиране на контраст). Така че ЯМР на мозъка ще струва повече от томография на една ръка. Запишете се за проучване по телефона в Москва: +7 495 266-85-01 или оставете заявка на уебсайта.

Дава на изследователя много информация за анатомичната структура на орган, тъкан или друг обект, който попада в полезрението. Въпреки това, за да се разработи цялостна картина на протичащите процеси, няма достатъчно данни за функционалната активност. И за тази цел има BOLD-функционален магнитен резонанс (BOLD - blood oxygenation level dependent контраст, или контраст в зависимост от степента на насищане на кръвта с кислород).

BOLD fMRI е един от най-приложимите и широко известни методи за измерване на мозъчната активност. Активирането води до повишен локален кръвен поток с промени в относителната концентрация на оксигениран (обогатен с кислород) и деоксигениран (беден на кислород) хемоглобин в локалното кръвообращение.

Фиг. 1.Схема реакции мозък кръвотечение V отговор На възбуда неврони.

Дезоксигенираната кръв е парамагнитна (вещество, което може да се магнетизира) и ще доведе до спадане на нивата на ЯМР сигнала. Ако в областта на мозъка има повече наситена с кислород кръв, нивото на ЯМР сигнала се повишава. По този начин кислородът в кръвта действа като ендогенен контрастен агент.

Фиг.2.Сила на звука мозък кръвоснабдяване (А) И СМЕЛ-отговор fMRI (b) при активиране първичен мотор корачовек. Сигнал преминава V 4 етапи. 1 сцена – поради активиране неврони се издига консумациякислород, се увеличава количество деоксигениран кръв, СМЕЛ— сигнал Малко намалява (На графикиНе показано, намаляване незначителен). Съдове се разширяват, поради Какво някои намалявакръвоснабдяване церебрална тъкани. сцена 2 – дългосрочен нараства сигнал. потенциал действия невронизавършва, Но поток наситен с кислород кръв се увеличава инерционно, Може би поради въздействиебиохимичен маркери хипоксия. сцена 3 – дългосрочен упадък сигнал поради нормализациякръвоснабдяване. 4 сцена – постстимул рецесия – Наречен бавен реставрация оригиналенкръвоснабдяване

За активиране на работата на невроните в определени области на кората има специални активиращи задачи. Проектирането на задачи обикновено се предлага в два типа: „блоково“ и „свързано със събитие“. Всеки тип предполага наличието на две редуващи се фази - активно състояние и състояние на покой. В клиничния fMRI по-често се използват задачи от типа „блок“. Когато изпълнява такива упражнения, субектът редува така наречените ON- (активно състояние) и OFF- (състояние на покой) периоди с еднаква или различна продължителност. Например, когато се идентифицира зоната на кората, отговорна за движенията на ръцете, задачите се състоят от редуващи се движения на пръстите и периоди на бездействие, продължаващи средно около 20 секунди. Стъпките се повтарят няколко пъти, за да се увеличи точността на резултата от fMRI. В случай на задача, свързана със събитие, субектът извършва едно кратко действие (например преглъщане или стискане на юмрук), последвано от период на почивка, докато действията, за разлика от блоковия дизайн, се редуват неравномерно и непоследователно.

На практика BOLD fMRI се използва при предоперативно планиране на резекция (отстраняване) на тумори, диагностика на съдови малформации, както и по време на операции при тежки форми на епилепсия и други мозъчни лезии. По време на мозъчна операция е важно лезията да се отстрани възможно най-точно, като в същото време се избягва ненужно увреждане на съседни функционално важни области на мозъка.

Фиг.3.

А – триизмерен ЯМР— изображение глава мозък. Стрелка посочено местоположение мотор кора Vпрецентрален извивка.

b – карта fMRI—дейност мозък V прецентрален извивка при движение ръка.

Методът е много ефективен при изследване на дегенеративни заболявания, като болестите на Алцхаймер и Паркинсон, особено в ранните стадии. Не включва използването на йонизиращо лъчение или рентгеноконтрастни агенти и е неинвазивен. Следователно може да се счита за доста безопасно за пациенти, които се нуждаят от дългосрочни и редовни fMRI изследвания. fMRI може да се използва за изследване на механизмите на образуване на епилептични припадъци и позволява да се избегне отстраняването на функционалния кортекс при пациенти с трудноразрешима епилепсия на фронталния лоб. Мониторинг на възстановяването на мозъка след инсулти, изучаване на ефектите от лекарства или други терапии, наблюдение и проследяване на лечението на психиатрични заболявания - това не е пълният списък от възможни приложения на fMRI. Освен това има и fMRI в покой, при който сложната обработка на данни ни позволява да видим функционирането на мозъчните мрежи в покой.

източници:

1. Колко добре разбираме невронния произход на fMRI BOLD сигнала? Оуен Дж. Артър, Саймън Бонифаций. ТЕНДЕНЦИИ в невронауките Vol.25 No.1 януари 2002 г
2. Физиката на функционалното магнитно резонансно изображение (fMRI) R. B. Buxton. Представител Прог. Phys. 76 (2013)
3. Приложение на функционален ядрено-магнитен резонанс в клиниката. Научен преглед. Беляев А., Пек Кунг К., Бренан Н., Холодни А. Руско електронно списание по радиология. Том 4 №1 2014г
4. Мозък, познание, ум: Въведение в когнитивната невронаука. Част 2 . Б. Баарс, Н. Гейдж. М.: Бином. 2014 г стр. 353-360.

Текст: Дария Прокудина

Промените в активността на кръвния поток се записват чрез функционален магнитен резонанс (fMRI). Методът се използва за определяне на локализацията на артериите, за оценка на микроциркулацията на центровете за зрение, реч, движение и кората на някои други функционални центрове. Характеристика на картографирането е, че от пациента се иска да изпълнява определени задачи, които повишават активността на желания мозъчен център (четене, писане, говорене, движение на краката).

На последния етап софтуерът генерира изображение чрез сумиране на конвенционални томограми слой по слой и изображения на мозъка с функционално натоварване. Комплексът от информация се показва чрез триизмерен модел. Пространственото моделиране позволява на специалистите да проучат детайлно обекта.

Заедно с ЯМР спектроскопията, изследването разкрива всички метаболитни характеристики на патологичните образувания.

Принципи на функционален ЯМР на мозъка

Магнитно-резонансната томография се основава на записване на променената радиочестота на водородните атоми в течна среда след излагане на силно магнитно поле. Класическото сканиране показва компонентите на меките тъкани. За подобряване на видимостта на кръвоносните съдове се прилага интравенозно контрастиране с парамагнитен гадолиний.

Функционалната ЯМР регистрира активността на отделните области на мозъчната кора, като отчита магнитния ефект на хемоглобина. След освобождаване на кислородни молекули в тъканите, веществото става парамагнитно, чиято радиочестота се улавя от сензорите на устройството. Колкото по-интензивно е кръвоснабдяването на мозъчния паренхим, толкова по-добър е сигналът.

Магнетизирането на тъканите се засилва допълнително чрез окисление на глюкозата. Веществото е необходимо за осигуряване на процесите на тъканно дишане на невроните. Промените в магнитната индукция се записват от сензорите на устройството и се обработват от софтуерно приложение. Устройствата с високо поле създават разделителна способност с високо качество. Томограмата показва детайлно изображение на части с диаметър до 0,5 mm в диаметър.

Функционалните MRI изследвания записват сигнали не само от базалните ганглии, кортекса на зъбния кортекс и таламуса, но и от злокачествени тумори. Неоплазмите имат собствена съдова мрежа, през която глюкозата и хемоглобинът влизат във формацията. Проследяването на сигнала ви позволява да изследвате контурите, диаметъра и дълбочината на проникване на тумора в бялото или сивото вещество.

Функционалната диагностика на ЯМР на мозъка изисква квалификация на лекар по радиология. Различните зони на кората се характеризират с различна микроциркулация. Насищането с хемоглобин и глюкоза влияе върху качеството на сигнала. Трябва да се вземе предвид структурата на кислородната молекула и наличието на алтернативни заместващи атоми.

Силното магнитно поле увеличава времето на полуразпад на кислорода. Ефектът работи, когато мощността на устройството е над 1,5 тесла. По-слабите инсталации не могат да не изследват функционалната активност на мозъка.

По-добре е да се определи метаболитната интензивност на кръвоснабдяването на тумора с помощта на оборудване с високо поле с мощност 3 Tesla. Високата разделителна способност ще ви позволи да регистрирате малка лезия.

Ефективността на сигнала се нарича научно "хемодинамичен отговор". Терминът се използва за описание на скоростта на нервните процеси с интервал от 1-2 секунди. Кръвоснабдяването на тъканите не винаги е достатъчно за функционални изследвания. Качеството на резултата се подобрява чрез допълнително приложение на глюкоза. След стимулация пиковата сатурация настъпва след 5 секунди, когато се извършва сканиране.

Технически характеристики на функционално ЯМР изследване на мозъка

Функционалната ЯМР диагностика се основава на повишаване на невронната активност след стимулиране на мозъчната активност от човек, изпълняващ определена задача. Външен стимул предизвиква стимулиране на сензорната или двигателната активност на определен център.

За проследяване на зоната е активиран режим на градиентно ехо въз основа на импулсна ехо-планарна последователност.

Анализът на сигнала на активната зона на ЯМР се извършва бързо. Регистрирането на една томограма се извършва на интервал от 100 ms. Диагностиката се извършва след стимулация и в периода на почивка. Софтуерът използва томограми за изчисляване на огнища на невронна активност, наслагвайки области на усилен сигнал върху триизмерен модел на мозъка в покой.

За лекуващите лекари този тип ЯМР предоставя информация за патофизиологични процеси, които не могат да бъдат проследени с други диагностични методи. Изследването на когнитивните функции е необходимо на невропсихолозите за разграничаване на психичните и психологическите заболявания. Проучването помага да се проверят епилептичните огнища.

Окончателната картографска карта не показва само области на повишена функционална стимулация. Изображенията визуализират зони на сензомоторна и слухова речева активност около патологичния фокус.

Картографирането на местоположението на мозъчните канали се нарича трактография. Функционалното значение на местоположението на зрителния пирамидален тракт преди планирането на хирургическа интервенция позволява на неврохирурзите правилно да планират местоположението на разрезите.

Какво показва fMRI?

ЯМР с високо поле с функционални тестове се предписва според показанията, когато е необходимо да се проучи патофизиологичната основа на функционирането на двигателните, сензорни, зрителни и слухови области на кората на главния мозък. Невропсихолозите използват изследвания при пациенти с нарушения на речта, вниманието, паметта и когнитивните функции.

Чрез fMRI се откриват редица заболявания в начален стадий - Алцхаймер, Паркинсон, демиелинизация при множествена склероза.

Функционалната диагностика в различни медицински центрове се извършва с помощта на различни инсталации. Диагностикът знае какво показва ЯМР на мозъка. Преди прегледа е необходима консултация със специалист.

Висококачествени резултати се постигат чрез сканиране със силно магнитно поле. Преди да изберете медицински център, препоръчваме да разберете вида на инсталираното устройство. Важни са квалификациите на специалист, който трябва да има познания за функционалните, структурни компоненти на мозъка.

Бъдещето на функционалната ЯМР диагностика в медицината

Функционалните изследвания наскоро бяха въведени в практическата медицина. Не се използват достатъчно възможностите на метода.

Учените разработват техники за визуализиране на сънища и четене на мисли с помощта на функционален ЯМР. Предлага се използването на томография за разработване на метод за комуникация с парализирани хора.

• Невронна възбудимост;
• Умствена дейност;
• Степен на насищане на кората на главния мозък с кислород и глюкоза;
• Количеството дезоксилиран хемоглобин в капилярите;
• Области на разширяване на кръвния поток;
• Ниво на оксихемоглобин в кръвоносните съдове.

Предимства на изследването:

1. Висококачествена временна снимка;
2. Пространствена разделителна способност по-висока от 3 mm;
3. Възможност за изследване на мозъка преди и след стимулация;
4. Безвредност (в сравнение с PET);
5. Липса на инвазивност.

Широкото използване на функционален ЯМР на мозъка е ограничено от високата цена на оборудването, всеки отделен преглед, невъзможността за директно измерване на невронната активност и не може да се направи при пациенти с метални включвания в тялото (съдови клипси, ушни импланти).

Регистрирането на функционалния метаболизъм на кората на главния мозък има голяма диагностична стойност, но не е точен показател за динамична оценка на промените в мозъка по време на лечение, след операция.

Магнитно-резонансната томография (ЯМР) е метод за получаване на томографски медицински изображения за неинвазивно изследване на вътрешни органи и тъкани, базиран на явлението ядрено-магнитен резонанс (ЯМР). Технологията се появи преди няколко десетилетия и днес можете да се подложите на преглед с помощта на такова устройство в много съвременни клиники. Въпреки това учените продължават да работят за подобряване на точността на технологията и разработване на нови, по-ефективни системи. , старши изследовател в Института Макс Планк в Тюбинген (Германия), е един от водещите специалисти, които разработват нови сензори за експериментален ЯМР с ултрависоко поле. Ден преди това той проведе специален курс в магистърската програма „ RF системи и устройства» ITMO University, а в интервю за ITMO.NEWS той говори за работата си и как новите изследвания в областта на ЯМР ще помогнат за по-ефективната диагностика на заболяванията.

През последните няколко години работите в отдела за магнитен резонанс с високо поле на Института Макс Планк. Моля, кажете ни върху какво са насочени текущите ви изследвания?

Разработвам нови радиочестотни (RF) сензори за MRI. Какво е ЯМР вероятно вече е известно на повечето хора, тъй като през последните 40 години, откакто е разработена тази технология, тя успя да дойде в огромен брой клиники и да се превърне в незаменим диагностичен инструмент. Но дори и днес хората работят за подобряване на тази технология чрез разработване на нови системи за ЯМР.

MRI е преди всичко огромен цилиндричен магнит, в който се поставя пациент или доброволец, за да се получи триизмерно изображение. Но преди това изображение да бъде създадено, трябва да се направят огромно количество изследвания. Води се от инженери, физици, лекари и други специалисти. Аз съм едно от звената в тази верига и се занимавам с изследвания в пресечната точка на физиката и инженерството. По-конкретно, разработваме сензори за експериментален ЯМР със свръхвисоко поле, който се използва на етапа на възбуждане, приемане и обработка на сигнала, получен в резултат на физическото въздействие на ЯМР.

Едно от основните направления е разработването на нови експериментални системи за ЯМР с ултрависоко поле, т.е. използване на по-високо постоянно магнитно поле, което позволява подобряване на разделителната способност на изображението или намаляване на времето за сканиране, което е много важно за много клинични изследвания и диагностика.

Конвенционалните клинични томографи използват постоянни полета до 3 T, но сега се появяват експериментални томографи с магнитни полета от 7 T и по-високи. Прието е томографите с магнитно поле от 7 T и по-високо да се наричат ​​ултра-високо поле. В света вече има около сто томографа с поле от 7 Т, но се правят разработки за допълнително увеличаване на магнитното поле. Например в Института Макс Планк в Тюбинген имаме 9,4 T MRI апарат.

Но дори и с прехода от 7 към 9,4 T възникват много технически проблеми, които изискват сериозни научни и технически разработки, включително изчисляване и проектиране на сензори за ново поколение ЯМР.

Какви са тези трудности?

Увеличаването на постоянното магнитно поле води до съответно увеличение на честотата на RF сензорите. Например клиничните 3 T томографи използват сензори с резонансна честота около 120 MHz, докато 7 T томографи изискват сензори с честота 300 MHz. Това основно води до скъсяване на дължината на вълната на радиочестотното поле в човешката тъкан. Ако честотата от 120 MHz съответства приблизително на дължина на вълната от 35-40 сантиметра, то при честота от 300 MHz тя намалява до стойност от около 15 cm, което е много по-малко от размера на човешкото тяло.

В резултат на този ефект чувствителността на RF сензорите може да бъде силно изкривена при изследване на големи обекти (по-дълги от дължината на вълната). Това води до трудности при интерпретирането на образите и диагностицирането на клинични заболявания и патологии. В поле от 9,4 T, което съответства на честота на сензора от 400 MHz, всички тези проблеми стават още по-критични.

Тоест такива снимки стават практически нечетими?

Не бих казал това. По-точно, в някои случаи това ги прави трудни за тълкуване. Има обаче групи, които разработват техники за получаване на MR изображения на цялото човешко тяло. Задачите на нашата група обаче са насочени предимно към изследване на мозъка.

Какви точно са възможностите пред медицината, които откриват изследванията в областта на ултрависокополевия ЯМР?

Както знаете, по време на ЯМР човек трябва да лежи неподвижно: ако започнете да се движите по време на измерванията, картината ще се окаже изкривена. В същото време някои техники за ЯМР могат да отнемат до един час и е ясно, че е трудно да не се движите през цялото това време. Повишената чувствителност на томографите със свръхвисоко поле позволява получаването на изображения не само с по-висока резолюция, но и много по-бързо. Това е особено важно при изследване на деца и пациенти в напреднала възраст.

Невъзможно е да не споменем и възможностите за магнитно-резонансна спектроскопия ( MRS, метод, който ви позволява да определите биохимичните промени в тъканите при различни заболявания въз основа на концентрацията на определени метаболити - бележка на редактора ).

При MRI основният източник на сигнал са водородните атоми на водните молекули. Но освен това, има и други водородни атоми, намиращи се в други молекули, които са важни за функционирането на човешкото тяло. Примерите включват различни метаболити, невротрансмитери и др. Измерването на пространственото разпределение на тези вещества с помощта на MRS може да предостави полезна информация за изучаване на патологии, свързани с метаболитни нарушения в човешкото тяло. Често чувствителността на клиничните томографи е недостатъчна за тяхното изследване поради ниската им концентрация и, като следствие, по-нисък сигнал.

В допълнение към това е възможно да се наблюдава ЯМР сигнал не само от водородни атоми, но и от други магнитни атоми, които също са много важни за диагностициране на заболявания и медицински изследвания. Въпреки това, първо, техният ЯМР сигнал е много по-слаб поради по-ниското жиромагнитно съотношение и, второ, естественото им съдържание в човешкото тяло е много по-малко от водородните атоми. Повишената чувствителност на ЯМР с ултрависоко поле е изключително важна за MRS.

Друга важна област от техниките за ЯМР, за които повишената чувствителност е критична, е функционалният ЯМР, важна техника за когнитивни изследвания на човешкия мозък.

Досега по-голямата част от клиниките в света не разполагат с томографи с високо поле. Какви са перспективите 7 Т и по-късно 9 Т томографи да могат да се използват в рутинната диагностика?

За да влезе томограф в клиниката, той трябва да бъде сертифициран, проверен за безопасност и да бъде съставена подходяща документация. Това е доста сложна и продължителна процедура. Досега има само една компания в света, която е започнала да сертифицира не само сензорите, които произвеждаме, но и самото устройство. Това е Siemens.

Има 7 Т томографа, но те не са много и все още не могат да се нарекат напълно клинични. Това, което нарекох, е предклиничен вариант, но това устройство вече е сертифицирано, тоест потенциално може да се използва в клиники.

Още по-трудно е да се предвиди кога ще се появят томографи с 9,4 Т в клиниките. Основният проблем тук е възможното локално нагряване на тъкан от радиочестотното поле на сензора поради силното намаляване на дължината на вълната. Една от важните области на инженерните изследвания на ЯМР с ултрависоко поле е подробно числено моделиране на този ефект, за да се гарантира безопасността на пациентите. Въпреки факта, че такива изследвания се провеждат в рамките на научни институции, преходът към клиничната практика изисква допълнителни изследвания.

Как се развива в момента сътрудничеството между института Макс Планк и университета ITMO? Какви съвместни резултати постигнахте вече?

Работата напредва много добре. Сега той работи с нас, завършил студент от университета ITMO. Наскоро публикувахме статия във водещо списание относно техническите разработки в ЯМР. В тази работа ние експериментално потвърдихме предишни теоретични проучвания за подобряване на чувствителността на RF сензори с ултрависоко поле чрез използване на модифицирани и оптимизирани диполни антени. Резултатът от тази работа според мен се оказа много обещаващ.

Сега работим и върху още няколко статии, които са посветени на използването на подобни методи, но за други задачи. И наскоро Георги получи безвъзмездна помощ за пътуване до Германия. Следващия месец той идва при нас за шест месеца и ще продължим да работим заедно за по-нататъшното развитие на сензорите за ЯМР.

Тази седмица проведохте специален курс в магистърската програма „Радиочестотни системи и устройства”. Кои са основните теми, които сте засегнали?

Курсът обхваща различни технически аспекти на разработването на MRI сензори. Има много тънкости, които трябва да се знаят в тази област, така че представих няколко основни техники, които се използват за проектиране и производство на тези сензори. Освен това представих лекция за последните си разработки. Общо курсът включва осем лекции по два академични часа, които са предназначени за четири дни. В края има и демонстрация, за да се обяснят по-ясно тези техники.

Магистърските студенти в момента са в процес на избор на бъдещата си посока, така че смятам, че този курс ще им даде допълнителна информация, за да оценят своите перспективи.

И ако говорим като цяло за обучение в областта на ЯМР технологиите, какви знания и умения, според Вас, се изискват преди всичко от такива специалисти днес?

Въпреки факта, че нашата област вече е станала много популярна и обещаваща за използване в клиничната диагностика, в момента няма инженерни курсове, които да обучават високоспециализирани специалисти, участващи в производството на бобини за ЯМР. Образувала се е празнина. И мисля, че заедно можем просто да го запълним.

Елена Меншикова

Редакция на новинарския портал