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

ТЕХНОЛОГИИ

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

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

От 90-те години. През 20-ти век функционалният магнитен резонанс (fMRI) е един от водещите методи за картографиране на функционалните области на мозъка поради своята неинвазивност, липса на излагане на радиация и относително широко разпространение. Същността на тази техника е да се измерват хемодинамичните промени в отговор на невронната активност (BOLD ефект). За успеха на експеримента с fMRI е необходимо: наличието на подходяща техническа поддръжка (магнитно-резонансна томография с високо поле, специално оборудване за изпълнение на задачи), разработване на оптимален дизайн на изследването и 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 се имат предвид някои ограничения и противопоказания, особено при извършване на fMRI при пациенти с различни патологии. За правилното планиране на изследването и тълкуването 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

От векове учените и лекарите 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. В тази статия ще се съсредоточим 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 позволява да се види електрическата активност на невроните директно, но го прави индиректно, чрез локална промяна 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, които се случват в невроните, заобикалящата ги глия (астроцити) и ендотела на съдовата стена, тъй като при повишена активност невроните се нуждаят от повече кислород и хранителни вещества, донесени с кръвния поток. Техниката fMRI позволява директно да се оценят промените в хемодинамиката.

Това стана възможно през 1990 г., когато Сейджи Огава и неговите колеги от Bell Laboratories (САЩ) предложиха използването на BOLD контраст за изследване на физиологията на мозъка с помощта на ЯМР. Тяхното откритие бележи началото на една ера

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 върху изображения, използващи градиентни последователности в зависимост от процента на деоксихемоглобина. Дезоксихемоглобинът има различни магнитни свойства от околните тъкани, което при сканиране води до локално смущение на магнитното поле и намаляване на сигнала в последователността на "градиентното ехо". С увеличаване на притока на кръв в отговор на активирането на невроните, деоксихемоглобинът се измива от тъканите и се заменя с наситена с кислород кръв, която е подобна по магнитни свойства 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 схема на fMRI 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, което се записва по време на fMRI под формата на BOLD сигнал - продукт на невронна активност и хемодинамичен отговор (фиг. 1B).

ориз. 1: А - схематична илюстрация на VOS-контраста в експеримента Oda\ha с промяна 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 области на намаляване на сигнала, съответстващи на съдове с повишено съдържание на деоксихемоглобин; при вдишване на чист кислород се отбелязва хомогенен MR сигнал от кората на главния мозък (в долната част на фигурата); B - обща схема за формиране на VOS сигнала

Планиране на експеримента

За провеждане на fMRI изследване е необходимо наличието на томограф с високо поле на MRI (стойността на индукцията на магнитното поле е 1,5 T и по-висока), различно оборудване за изпълнение на задачи по време на сканиране (слушалки, видео очила, проектор, различни дистанционни управления и джойстици за обратна връзка от субектите и др.). Важен фактор е желанието на субекта да сътрудничи.

Схематично самият процес на сканиране (на примера на визуална стимулация) е както следва (фиг. 2): обектът е в томографа; чрез специална система от огледала, фиксирани над главата му, той има достъп до изображения, показвани на екрана чрез видео проектор. За обратна връзка (ако е заложена в задачата) пациентът натиска бутон на дистанционното. Подаването на стимули и управлението 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 стимули в задача: под формата на блокове - блоков дизайн и под формата на отделни разнородни стимули - дискретен дизайн (фиг. 3). Възможна е и комбинация от двете опции - смесен дизайн.

Най-широко използваният, особено за двигателни задачи, е блоковият дизайн, когато едни и същи 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), редувайки се с периоди на почивка със същата продължителност. Този дизайн има най-голяма статистическа мощност, тъй като отделните BOLD сигнали се сумират. Въпреки това, като правило, той е предсказуем за пациентите и не позволява да се оцени реакцията на единичен стимул и следователно не е подходящ за някои задачи, по-специално за когнитивни.

ориз. 2: Схема на експеримента с fMRI (адаптирана от http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, с промени)

Блокиран

Дискретно (свързано със събитие)

A 11 i A D1 iil iiitU I I,

ориз. 3: Основни типове дизайни на fMRI изследвания

Функционален ядрено-магнитен резонанс

За това има дискретен дизайн, когато стимулите се дават по хаотичен начин 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 блок и вече се подготвя за него предварително, и второ, ако един и същ стимул се представя дълго време, реакцията към него става скучна. 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 опции за продукта (опаковка, форми, цветове) и се наблюдава тяхната несъзнателна реакция.

И така, избрахме дизайна на задачата, сканирахме я. Какво получаваме в резултат? Първо, това е 4D серия от функционални данни в последователността на „градиентно ехо“, което представлява множество повтарящи се сканирания на целия обем на мозъчното вещество по време на задачата. И второ, обем на 3D 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_

Промените в MR сигнала в зоните на активиране на мозъка при различни условия са само 3-5%, те са неуловими за човешкото око. Следователно, по-нататък, получените функционални данни се подлагат на статистически анализ: за всеки воксел на изображението се изгражда крива на зависимостта на интензитета на MR сигнала от времето в различни състояния - експериментално (подаване на стимул) и контролно. В резултат на това получаваме статистическа карта за активиране, комбинирана с анатомични данни.

Но преди директно провеждане 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 интерпретацията на резултатите. В момента има различни програми

Ш -.V ж<# %>

40 4"r h® F W

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

Софтуер за предварителна обработка на получените данни, произведен както от производители на ЯМР томографи, 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 ясно изразена изкуствена промяна в интензитета на MR сигнала между последователни обеми данни, особено ако движението на главата е свързано с изпълнението на експерименталната задача. В този случай е трудно да се разграничи „истинската“ активация на BOLD от „изкуствената“, която възниква в резултат на движението на субекта (фиг. 5).

За оптимално изместване на главата е общоприето да се приема не повече от 1 мм. В този случай изместването, перпендикулярно на равнината на сканиране (посока „глава-крака”) е значително по-лошо за правилната статистическа обработка на резултатите, отколкото изместването в равнината на сканиране. На този етап се използва алгоритъмът за трансформация на твърдо тяло - пространствена трансформация, при която се променят само позицията и ориентацията на обекта, а размерът или формата му са постоянни. На практика обработката е следната: избира се референтният (обикновено първият) функционален обем от изображения и всички следващи функционални обеми се комбинират математически с него, подобно на това как подравняваме хартиени листове в купчина.

2. Съвместна регистрация на функционални и анатомични данни.

Разликите в положението на главата на субекта са сведени до минимум. Извършва се и компютърна обработка и сравнение на анатомични данни с висока резолюция и функционални данни с много ниска резолюция, за възможност за последващо локализиране на зоните на активиране.

ориз. 5: Пример за изместване на главата на пациента по време на сканиране при изпълнение на двигателната парадигма. В горната част на фигурата има графика на движението на главата на пациента в три взаимно перпендикулярни равнини: средната крива отразява изместването на пациента по оста z (посоката "глава-крака") и ясно се отклонява при началото на движението и в края му. В долната част - статистически карти на активиране на същия субект без корекция на движението. Типичните артефакти от движение се определят под формата на полукръгове по ръба на мозъчното вещество

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 се различават значително. За сравняване на данните, получени от различни пациенти, както и за обработка на цялата група като цяло, се използват математически алгоритми: така наречената афинна трансформация. В този случай изображенията на отделните области на мозъка се трансформират - разтягане, компресия, разтягане и т.н. - с последващо редуциране на структурните данни до единна пространствена координатна система.

В момента най-често срещаните в fMRI са две пространствени координатни системи: системата Taleras 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 данните само за един мозък. Следователно по-популярната система е тази, разработена в Неврологичния институт в Монреал (MNI) въз основа на общо изчисление на данни от Т1 изображения от 152 канадци.

Въпреки че и двете системи се отнасят 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 данните от трудовете 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 съответстват 100% една на друга. За да се постигне пространствено припокриване на подобни зони на активиране в група субекти, за да се подобри съотношението сигнал/шум и по този начин да се подобри надеждността на данните, се прилага функция за изглаждане на Гаус. Същността на този етап на обработка е "размиването" на зоните на активиране на всеки субект, в резултат на което областите на тяхното припокриване се увеличават в груповия анализ. Недостатъкът е, че се губи пространствена разделителна способност.

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 анатомични 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 (Y ^ 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 по време на изпълнение на двигателната парадигма (повдигане - спускане на десния показалец), съчетано с обемна реконструкция на мозъка. Вдясно - статистика за всяка зона на активиране

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

fMRI приложение_

Кога се извършва fMRI? Първо, за чисто научни цели: това е изследването на нормалния мозък и неговата функционална асиметрия. Тази техника съживи интереса на изследователите към картографирането на мозъчните функции: без да се прибягва до инвазивни интервенции, човек може да види кои области на мозъка са отговорни за определен процес. Може би най-големият пробив е направен в разбирането на 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 основните функции (моторни, речеви) преди неврохирургични интервенции при мозъчни образувания или нелечима 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 при 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 провежданата лекарствена терапия, терапия и/или рехабилитационни мерки.

В крайна сметка, fMRI изследванията, проведени върху пациенти от различни категории, могат да помогнат за определяне на прогностичната стойност на различни варианти на функционално кортикално пренареждане за възстановяване на нарушени функции и разработване на оптимални алгоритми за лечение.

Възможни неуспехи на проучването_

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

източници на грешка при интерпретирането на данни, получени както от здрави доброволци, така и от пациенти.

Те включват:

Всякакви фактори, влияещи върху невроваскуларното взаимодействие и хемодинамиката и в резултат на това BOLD контраст; следователно винаги е необходимо да се вземат предвид възможни промени в церебралния кръвен поток, например поради оклузии или тежки стенози на главните артерии на главата и шията, 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;

Наличието на противопоказания в субекта, общи за всяко MRI изследване (пейсмейкъри, клаустрофобия и др.);

Метални конструкции в областта на лицевите (мозъчните) части на черепа (неснемаеми зъбни протези, клипси, пластини и др.), даващи 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 намаляване на зрението, слуха и др., както и с липса на мотивация и нужното внимание към задачата;

Изразено движение на субекта по време на 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 изследване на група хора или един и същ субект в динамика, за да могат да се сравняват получените зони на активиране; задачите трябва да бъдат възпроизводими, тоест еднакви през целия период на изследването и достъпни за изпълнение от всички субекти; едно възможно решение за пациенти, които не са в състояние сами да изпълняват задачи, свързани с движението, е използването на пасивни парадигми, използващи различни устройства за движение на крайниците;

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

Неправилно зададени параметри за последваща обработка на данни на различни етапи;

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

Заключение

Въпреки горните ограничения, fMRI е важна и многофункционална съвременна техника за невроизобразяване, която съчетава предимствата на високата пространствена разделителна способност и неинвазивността с липсата на необходимост от интравенозни контрастни вещества.

усилване и излагане на радиация. Тази техника обаче е много сложна и за успешното изпълнение на задачите, възложени на изследовател, работещ с fMRI, е необходим мултидисциплинарен подход - включващ не само неврорадиолози, но и биофизици, неврофизиолози, психолози, логопеди, клинични лекари и математици в ученето. 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. et al. Свързани с движението ефекти във времевите серии на fMRI. Магн. Резон. Med. 1996 г.; 35:346-355.

6. Glover, G.H., Lai S. Самонавигирана спирала fMRI: Преплитане срещу единична снимка. Магн. Резон. 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. et al. 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 симулации на изображения. Магн. Резон. Med. 1990 г.; 16(1):9-18.

Магнитно-резонансната томография е незаменима при диагностицирането на много заболявания и ви позволява да получите детайлна визуализация на вътрешните органи и системи.

Отделението за ЯМР на клиниката NAKFF в Москва е оборудвано с томограф Siemens MAGNETOM Aera с високо поле и отворен тунелен дизайн. Мощността на томографа е 1,5 тесла. Апаратурата позволява изследване на хора с тегло до 200 кг, ширината на апаратния тунел (апертура) е 70 см. мозък. Цената на диагностиката е достъпна, а стойността на получените резултати е невероятно висока. Общо се извършват повече от 35 вида изследвания с магнитен резонанс.

След MRI диагностика лекарят провежда разговор с пациента и издава диск със запис. Заключението се изпраща по имейл.

обучение

Повечето изследвания с магнитен резонанс не изискват специално обучение. Въпреки това, например, за MRI на корема 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 удобни дрехи без метални елементи.

Противопоказания

Противопоказанията за ядрено-магнитен резонанс се дължат на факта, че по време на изследването се образува 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 скоби на съдове, инсулинови помпи.

Ограничения

Ако имате инсталирани големи метални конструкции (например ставна ендопротеза), ще ви е необходим документ, потвърждаващ 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 изработени от медицински титан, който не пречи на процедурата. Но във всеки случай, преди изследването, кажете на лекаря от радиологичния отдел за наличието на чужди предмети в тялото - корони в устната кухина, пиърсинг и дори татуировки (в последното могат да се използват металосъдържащи бои ).

Цената на ядрено-магнитен резонанс зависи от изследваната част на тялото и необходимостта от допълнителни процедури (например въвеждане 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 зрителното поле. Въпреки това, за да се формира пълна картина на протичащите процеси, няма достатъчно данни за функционалната активност. И точно за това има BOLD-функционален магнитен резонанс (BOLD - контраст, зависим от нивото на оксигенация на кръвта или контраст, в зависимост от степента на насищане на кръвта с кислород).

BOLD fMRI е един от най-широко използваните и широко известни методи за определяне на мозъчната активност. Активирането води до увеличаване на локалния кръвен поток с промяна в относителната концентрация на оксигениран (обогатен с кислород) и деоксигениран (беден на кислород) хемоглобин в локалния кръвен поток.

Фиг. 1.Схема реакции церебрална кръвотечение в отговор на възбуда неврони.

Дезоксигенираната кръв е парамагнитна (вещество, което може да се магнетизира) и води до спад в нивото 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 церебрална кръвоснабдяване (а) и СМЕЛ-отговор fMRI (b) при активиране първичен мотор корачовек. Сигнал преминава в 4 етапи. 1 сцена – поради активиране неврони се издига консумациякислород, се увеличава количество деоксигениран кръв, СМЕЛ— сигнал малко намалява (на графикане показано, намаляване незначителен). Съдове разширяване, поради Какво няколко намалявакръвоснабдяване церебрална тъкани. сцена 2 – продължително нараства сигнал. потенциал действия невронизавършва, но поток наситен с кислород кръв се увеличава инерционно, Може би поради въздействиебиохимичен маркери хипоксия. сцена 3 – продължително упадък сигнал поради нормализациякръвоснабдяване. 4 сцена – постстимул рецесия – Наречен бавен реставрация началенкръвоснабдяване.

За активиране на работата на невроните в определени области на кората има специални активиращи задачи. Дизайнът на задачите обикновено е от два типа: „блок“ и „свързан със събитие“. Всеки тип предполага наличието на две редуващи се фази - активно състояние и покой. В клиничния fMRI по-често се използват задачи от типа „блок“. Изпълнявайки такива упражнения, субектът редува така наречените ON- (активно състояние) и OFF- (състояние на покой) периоди с еднаква или различна продължителност. Например, когато се определя 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 задачата, 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.

В практиката BOLD fMRI се използва при предоперативно планиране на резекция (отстраняване) на тумори, диагностика на съдови малформации, при операции на 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 ненужното увреждане на съседните функционално важни области на мозъка.

Фиг.3.

а – триизмерен ЯМР— образ глава мозък. Стрелка посочени местоположение мотор кора впрецентрален извивка.

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

Методът е много ефективен при изследване на дегенеративни заболявания като Алцхаймер и Паркинсон, особено в ранен стадий. Не включва използването на йонизиращи лъчения и рентгеноконтрастни средства, освен това 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 избягва отстраняването на функционалната кора 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 мониторинг на психиатрично лечение - това не е пълният списък на възможните приложения на fMRI. Освен това има и fMRI в покой, при който сложната обработка на данни ви позволява да видите 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. Използването на функционален магнитен резонанс в клиниката. Научен преглед. Belyaev A., Peck Kyung K., Brennan N., Kholodny A. 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 на зрението, речта, движението, 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 слоести томограми и изображения на мозъка с функционално натоварване. Комплексът от информация показва триизмерен модел. Пространственото моделиране позволява на специалистите да проучат детайлно обекта.

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

Принципи на функционалната 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 компоненти на меките тъкани. За подобряване на видимостта на кръвоносните съдове се извършва интравенозно контрастиране с парамагнитен гадолиний.

Функционалната ЯМР регистрира активността на отделните области на мозъчната кора, като отчита магнитния ефект на хемоглобина. Субстанцията, след връщането на молекулата на кислорода в тъканите, се превръща в парамагнетик, 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 увеличава допълнително чрез окисление на глюкозата. Веществото е необходимо за осигуряване на процесите на тъканно дишане на невроните. Промяната в магнитната индукция се записва от сензорите на устройството и се обработва от софтуерното приложение. Устройствата с високо поле създават резолюция с висока степен на качество. На томограмата може да се проследи детайлно изображение на детайли с диаметър до 0,5 mm в диаметър.

Функционалното ЯМР изследване регистрира сигнал не само от базалните ганглии, цингуларния кортекс, 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 изучавате контурите, диаметъра, дълбочината на проникване на тумора в бялото или сивото вещество.

Функционалната диагностика на ЯМР на мозъка изисква квалификация на лекар по лъчева диагностика. Различните зони на кората се характеризират с различна микроциркулация. Насищането с хемоглобин, глюкоза влияе върху качеството на сигнала. Трябва да се вземе предвид структурата на молекулата на кислорода, наличието на алтернативни заместители на атомите.

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

Метаболитната интензивност на кръвоснабдяването на тумора се определя най-добре с помощта на оборудване с високо поле с мощност 3 Tesla. Високата разделителна способност ще ви позволи да регистрирате малък фокус.

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 пикът на насищане настъпва след 5 секунди, когато се извършва сканирането.

Технически характеристики на функционалното изследване на ЯМР на мозъка

Функционалната диагностика на ЯМР се основава на повишаване на активността на невроните след стимулиране на мозъчната активност чрез изпълнение на определена задача от човек. Външен стимул предизвиква стимулиране на сензорната или двигателната активност на определен център.

За проследяване на зоната се активира режимът на градиентно ехо въз основа на импулсната ехопланарна последователност.

Анализът на основния сигнал на ЯМР се извършва бързо. Регистрирането на една томограма се извършва на интервал от 100 ms. Диагностиката се извършва след стимулация и през периода на почивка. Софтуерът използва томограми за изчисляване на огнища на невронна активност, наслагвайки области на усилен сигнал върху 3D 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 показва повече от области на повишена функционална стимулация. Снимките визуализират зоните на сензомоторна, слухова речева активност около патологичния фокус.

Изграждането на карти на местоположението на мозъчните канали се нарича трактография. Функционалното значение на местоположението на зрителния, пирамидален тракт преди планирането на операцията 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 изследват патофизиологичните основи на функционирането на двигателните, сензорни, зрителни и слухови области на кората на главния мозък. Невропсихолозите използват изследвания при пациенти с нарушена реч, внимание, памет и когнитивни функции.

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

Функционалната диагностика в различните медицински центрове се извършва в различни звена. Той знае какво показва ЯМР на мозъка, лекарят-диагностик. Преди прегледа е задължителна 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. Важна е квалификацията на специалист, който трябва да има познания за функционалния, структурен компонент 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, четене на мисли с помощта на функционален ЯМР. Предполага се, че се използва томография за разработване на метод за комуникация с парализирани хора.

• неврална възбудимост;
• умствена дейност;
• Степени на насищане на кората на главния мозък с кислород, глюкоза;
• Количеството дезоксилиран хемоглобин в капилярите;
• Области на разширяване на кръвния поток;
• Нивото на оксихемоглобина в съдовете.

Предимства на изследването:

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

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

Регистрирането на функционалния метаболизъм на мозъчната кора 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 е възможно да се подложите на преглед с помощта на такова устройство в много съвременни клиники. Въпреки това учените продължават да работят върху подобряването на точността на технологията и разработването 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 със свръхвисоко поле. Ден преди това той проведе специален курс по магистърска програма " RF системи и устройства» ITMO University и 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 за какво е настоящото ви изследване?

Разработвам нови радиочестотни (RF) сензори за MRI. Какво е MRI, вероятно вече е известно на повечето хора, защото 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 предимно огромен цилиндричен магнит, в който се поставя пациент или доброволец, за да се получи 3D изображение. Но преди да създадете това изображение, трябва да извършите много изследователска работа. Провежда се от инженери, физици, лекари и други специалисти. Аз съм едно от звената в тази верига и правя изследвания в пресечната точка на физиката и инженерството. По-конкретно, ние разработваме сензори за експериментален ЯМР със свръхвисоко поле, който се използва на етапа на възбуждане, приемане и обработка на сигнал, 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 подобрява разделителната способност на изображението или намалява 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 магнитно поле от 7 T и по-високи. Томографите с магнитно поле от 7 Т и по-високо е обичайно да се наричат ​​ултрависоко поле. В света вече има около сто томографа с поле от 7 Т, но се правят разработки за допълнително увеличаване на магнитното поле. Например имаме 9,4 T MRI машина в института Макс Планк в Тюбинген.

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 MRI.

Какви са тези трудности?

Увеличаването на постоянното магнитно поле води до съответно увеличение на честотата на RF сензорите. Например, клиничните скенери 3 T използват трансдюсери с резонансна честота от около 120 MHz, докато скенерът 7 T изисква трансдюсери с честота 300 MHz. Това основно води до скъсяване на дължината на вълната на радиочестотното поле в човешките тъкани. 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-големи 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 така. 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 възможности пред медицината откриват изследванията в областта на ЯМР със свръхвисоко поле?

Както знаете, по време на ЯМР човек трябва да лежи неподвижно: ако започнете да се движите по време на измерванията, картината ще бъде изкривена. В същото време някои техники за ЯМР могат да отнемат до 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 изследването 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 чрез концентрацията на определени метаболити - изд. ).

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 изследване на патологии, свързани с метаболитни нарушения в човешкото тяло. Често чувствителността на клиничните томографи е недостатъчна за тяхното изследване поради ниската им концентрация и в резултат на това по-малък сигнал.

В допълнение към това, може 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-малкото 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 на MRI техниките, за които повишената чувствителност е критична, е функционалният MRI, който е 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 се използват в конвенционалната диагностика?

За да може томографът да дойде 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, не са толкова 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 9,4 Т томографите ще се появят в клиниките. Основният проблем тук е възможното локално нагряване на тъканите от радиочестотното поле на сензора поради силно намаляване на дължината на вълната. Една от важните области на инженерните изследвания в ЯМР с ултрависоко поле е детайлната числена симулация на този ефект, за да се гарантира безопасността на пациентите. Въпреки факта, че такива изследвания се извършват в рамките на научни институции, преходът към клиничната практика изисква допълнителни изследвания.

Как сега се изгражда сътрудничеството между института Макс Планк и университета ITMO? Какви съвместни резултати вече успяхте да постигнете?

Работата напредва много добре. Сега с нас работи аспирант в университета ITMO. Наскоро публикувахме статия в едно от водещите списания за техническите разработки в областта на ЯМР. В тази работа ние експериментално потвърдихме резултатите от предишни теоретични изследвания, които подобряват чувствителността на RF сензори с ултрависоко поле чрез използването 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 разработване на сензори за ЯМР.

Тази седмица проведохте специален курс по магистърска програма "Радиочестотни системи и устройства". Кои са основните теми, които сте засегнали?

Курсът е посветен на различни технически характеристики на разработването на сензори за ЯМР. Има много тънкости в тази област, които трябва да знаете, затова съм представил 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 сега са в процес на избор на бъдещата си посока, така че смятам, че този курс ще им даде допълнителна информация, за да оценят перспективите си.

И ако говорим за обучение в областта на ЯМР технологиите като цяло, 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, няма инженерни курсове, които да обучават високоспециализирани специалисти, участващи в производството на MRI бобини. Имаше празнина. И мисля, че заедно можем просто да го запълним.

Елена Меншикова

Редакция на новинарския портал