Resonancia magnética funcional. Nikolai Avdievich: sobre los nuevos dispositivos de resonancia magnética y sus capacidades Imagen de resonancia magnética funcional del cerebro

TECNOLOGÍAS

EI Kremneva, R.N. Konovalov, M. V. Krotenkova

Centro Científico de Neurología de la Academia Rusa de Ciencias Médicas (Moscú)

Desde los años 90. En el siglo XX, la resonancia magnética funcional (fMRI) es uno de los principales métodos para mapear las áreas funcionales del cerebro debido a su no invasividad, ausencia de exposición a la radiación y uso relativamente generalizado. La esencia de esta técnica es medir los cambios hemodinámicos en respuesta a la actividad neuronal (efecto BOLD). Para el éxito de un experimento de resonancia magnética funcional, es necesario: la disponibilidad de soporte técnico adecuado (tomografía de resonancia magnética de alto campo, equipo especial para realizar tareas), el desarrollo de un diseño de estudio óptimo y el procesamiento posterior de los datos obtenidos. . Actualmente, la técnica se utiliza no solo con fines científicos, sino también en la medicina práctica. Sin embargo, siempre se deben tener en cuenta algunas limitaciones y contraindicaciones, especialmente cuando se realiza fMRI en pacientes con diversas patologías. Para la correcta planificación del estudio e interpretación de sus resultados, es necesario involucrar a varios especialistas: neurorradiólogos, biofísicos, neurólogos, psicólogos, ya que la fMRI es una técnica multidisciplinar.

Palabras clave: IRMf, contraste BOLD, diseño de estudio, posprocesamiento

Durante siglos, los científicos y los médicos se han interesado por el funcionamiento del cerebro humano. Con el desarrollo del progreso científico y tecnológico, se hizo posible levantar el velo de este misterio. Y la invención y la introducción en la práctica clínica de un método no invasivo como la resonancia magnética nuclear (RMN) se ha vuelto especialmente valiosa. La resonancia magnética es un método relativamente joven: el primer tomógrafo comercial de 1,5 T comenzó a funcionar en 1982. Sin embargo, en 1990, la mejora técnica continua del método hizo posible utilizarlo no solo para estudiar las características estructurales del cerebro, sino también para estudiar su funcionamiento. En este artículo, nos centraremos en una técnica que permite mapear varias áreas funcionales del cerebro: la resonancia magnética funcional (fMRI).

Principios básicos de la técnica fMRI_

fMRI es una técnica de resonancia magnética que mide la respuesta hemodinámica (cambio en el flujo sanguíneo) asociada con la actividad neuronal. Se basa en dos conceptos principales: la interacción neurovascular y el contraste BOLD.

La fMRI no permite ver la actividad eléctrica de las neuronas directamente, pero sí de forma indirecta, a través de un cambio local en el flujo sanguíneo. Esto es posible debido al fenómeno de la interacción neurovascular, un cambio regional en el flujo sanguíneo en respuesta a la activación de las neuronas cercanas. Este efecto se logra a través de una secuencia compleja de reacciones interrelacionadas que ocurren en las neuronas, la glía circundante (astrocitos) y el endotelio de la pared del vaso, ya que con el aumento de la actividad, las neuronas necesitan más oxígeno y nutrientes traídos por el torrente sanguíneo. La técnica fMRI permite evaluar directamente los cambios en la hemodinámica.

Esto fue posible en 1990, cuando Seiji Ogawa y sus colegas de Bell Laboratories (EE. UU.) propusieron el uso del contraste BOLD para estudiar la fisiología cerebral mediante resonancia magnética. Su descubrimiento marcó el comienzo de una era.

neuroimagen funcional moderna y formó la base de la mayoría de los estudios de fMRI. El contraste BOLD (literalmente, dependiente del nivel de oxigenación de la sangre, según el nivel de oxigenación de la sangre) es la diferencia en la señal de RM en imágenes que usan secuencias de gradiente según el porcentaje de desoxihemoglobina. La desoxihemoglobina tiene propiedades magnéticas diferentes a las de los tejidos circundantes, lo que, cuando se escanea, provoca una perturbación local del campo magnético y una disminución de la señal en la secuencia de "eco de gradiente". Con un aumento en el flujo sanguíneo en respuesta a la activación de las neuronas, la desoxihemoglobina se elimina de los tejidos y se reemplaza por sangre oxigenada, que es similar en propiedades magnéticas a los tejidos circundantes. Luego, la perturbación del campo disminuye y la señal no se suprime, y vemos su amplificación local (Fig. 1A).

Así, resumiendo todo lo anterior, el esquema general de la resonancia magnética funcional se puede representar de la siguiente manera: la activación de las neuronas en respuesta a la acción de un estímulo y el aumento de sus necesidades metabólicas conduce a un aumento local del flujo sanguíneo, que se registra durante la resonancia magnética funcional en forma de una señal BOLD, el producto de la actividad neuronal y la respuesta hemodinámica (Fig. 1B).

arroz. 1: A - ilustración esquemática del contraste VOS en el experimento Oda\ha con un cambio en el porcentaje de oxígeno en la sangre de ratas; cuando se inhala aire ordinario (21% de oxígeno), se determinan áreas de disminución de señal en la corteza (en la parte superior de la figura), correspondientes a vasos con un contenido aumentado de desoxihemoglobina; cuando se inhala oxígeno puro, se observa una señal de RM homogénea de la corteza cerebral (en la parte inferior de la figura); B - esquema general para la formación de la señal VOS

Planificación de experimentos

Para realizar un estudio de resonancia magnética funcional, es necesario tener un tomógrafo de resonancia magnética de alto campo (el valor de inducción del campo magnético es de 1,5 T y más), varios equipos para realizar tareas durante el escaneo (auriculares, anteojos de video, un proyector, varios controles remotos y joysticks para retroalimentación de los sujetos, etc.). Un factor importante es la disposición del sujeto a cooperar.

Esquemáticamente, el proceso de escaneo en sí (en el ejemplo de la estimulación visual) es el siguiente (Fig. 2): el sujeto está en el tomógrafo; a través de un sistema especial de espejos colocados sobre su cabeza, tiene acceso a las imágenes que se muestran en la pantalla a través de un proyector de video. Para la retroalimentación (si está implícita en la tarea), el paciente presiona un botón en el control remoto. El suministro de estímulos y control de la tarea se realiza mediante la consola de la sala de control.

Las tareas que realiza el sujeto pueden ser diferentes: visuales, cognitivas, motrices, del habla, etc., en función de los objetivos que se proponga. Hay dos tipos principales de presentación de estímulos en una tarea: en forma de bloques, un diseño de bloques, y en forma de estímulos dispares separados, un diseño discreto (Fig. 3). También es posible una combinación de estas dos opciones: un diseño mixto.

El más utilizado, especialmente para tareas motrices, es el diseño de bloques, cuando los mismos estímulos se recogen en bloques alternados entre sí. Un ejemplo es la tarea de apretar una pelota de goma (cada apretón es un estímulo separado) durante un cierto período de tiempo (20-30 s en promedio), alternando con períodos de descanso de la misma duración. Este diseño tiene el mayor poder estadístico, ya que se suman las señales BOLD individuales. Sin embargo, es, por regla general, predecible para los pacientes y no permite evaluar la respuesta a un solo estímulo, por lo que no es adecuado para algunas tareas, en particular, para tareas cognitivas.

arroz. 2: Esquema del experimento fMRI (adaptado de http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, con cambios)

Bloqueado

Discreto (relacionado con eventos)

A 11 i A D1 iil iiitU I I,

arroz. 3: Principales tipos de diseños de estudio de IRMf

Resonancia magnética funcional

Para ello, existe un diseño discreto, cuando los estímulos se dan de forma caótica en diferentes intervalos de tiempo. Por ejemplo, a un sujeto con aracnofobia se le muestran imágenes neutras (flores, edificios, etc.), entre las que aparecen de vez en cuando imágenes de una araña, lo que permite evaluar la activación cerebral en respuesta a estímulos desagradables. Con un diseño de bloques, esto sería difícil: en primer lugar, el sujeto sabe cuándo aparecerá un bloqueo y ya se prepara con anticipación, y en segundo lugar, si se presenta el mismo estímulo durante mucho tiempo, la reacción se vuelve sorda. Es un diseño discreto que se puede utilizar en fMRI como detector de mentiras o en investigación de mercados, cuando se muestran a los voluntarios varias opciones de productos (su empaque, formas, colores) y se observa su reacción inconsciente.

Entonces, elegimos el diseño de la tarea, lo escaneamos. ¿Qué obtenemos como resultado? Primero, es una serie 4D de datos funcionales en la secuencia de "eco de gradiente", que consiste en múltiples escaneos repetidos de todo el volumen de la sustancia cerebral durante la tarea. Y en segundo lugar, volumen de datos anatómicos 3D de alta resolución: por ejemplo, 1 x 1 x 1 mm (Fig. 4). Este último es necesario para el mapeo preciso de las zonas de activación, ya que los datos funcionales tienen una resolución espacial baja.

Postprocesamiento_

Los cambios en la señal de RM en las áreas de activación del cerebro en diversas condiciones son solo del 3-5%, son esquivos para el ojo humano. Por lo tanto, además, los datos funcionales obtenidos se someten a análisis estadístico: se traza una curva de dependencia de la intensidad de la señal de RM en el tiempo para cada vóxel de imagen en varios estados: experimental (suministro de estímulo) y control. Como resultado, obtenemos un mapa de activación estadístico combinado con datos anatómicos.

Pero antes de realizar directamente un análisis de este tipo, es necesario preparar los datos "en bruto" obtenidos al final del escaneo y reducir la variabilidad de los resultados que no está relacionada con la tarea experimental. El algoritmo de preparación es un proceso de varias etapas, y es muy importante para comprender posibles fallas y errores en la interpretación de los resultados. Actualmente hay varios programas

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arroz. 4: Serie de datos funcionales (A) y anatómicos (B) obtenidos al final del escaneo

Software para el procesamiento preliminar de los datos obtenidos, producido tanto por fabricantes de tomógrafos MRI como por laboratorios de investigación independientes de fMRI. Pero, a pesar de las diferencias en los métodos utilizados, sus nombres y presentación de datos, todas las etapas de preparación se reducen a unos pocos pasos básicos.

1. Corrección del movimiento de la cabeza del sujeto. Al realizar tareas, esto es inevitable, a pesar del uso de varios dispositivos para fijar la cabeza (máscaras, clips en la bobina de la cabeza, etc.). Incluso un movimiento mínimo puede provocar un cambio artificial pronunciado en la intensidad de la señal de RM entre volúmenes de datos sucesivos, especialmente si el movimiento de la cabeza está asociado con la realización de la tarea experimental. En este caso, es difícil distinguir entre la activación BOLD “verdadera” y la “artificial”, que surge como resultado del movimiento del sujeto (Fig. 5).

Generalmente se acepta no tomar más de 1 mm como el desplazamiento óptimo de la cabeza. En este caso, el desplazamiento perpendicular al plano de exploración (dirección “cabeza-piernas”) es significativamente peor para el correcto procesamiento estadístico de los resultados que el desplazamiento en el plano de exploración. En esta etapa, se utiliza el algoritmo de transformación de cuerpo rígido, una transformación espacial en la que solo cambian la posición y la orientación del objeto, y su tamaño o forma es constante. En la práctica, el procesamiento es el siguiente: se selecciona el volumen funcional de imágenes de referencia (generalmente el primero), y todos los volúmenes funcionales posteriores se combinan matemáticamente con él, de forma similar a como alineamos hojas de papel en una pila.

2. Co-registro de datos funcionales y anatómicos.

Se minimizan las diferencias en la posición de la cabeza del sujeto. También se realizan tratamientos informáticos y comparación de datos anatómicos de alta resolución y datos funcionales de muy baja resolución, para la posibilidad de localización posterior de zonas de activación.

arroz. 5: Ejemplo de desplazamiento de la cabeza del paciente durante la exploración mientras se realiza el paradigma motor. En la parte superior de la figura, hay un gráfico del movimiento de la cabeza del sujeto en tres planos perpendiculares entre sí: la curva central refleja el desplazamiento del paciente a lo largo del eje z (la dirección "cabeza-piernas"), y claramente se desvía en el comienzo del movimiento y al final. En la parte inferior - mapas estadísticos de activación del mismo sujeto sin corrección de movimiento. Los artefactos típicos del movimiento se determinan en forma de semicírculos a lo largo del borde de la sustancia cerebral.

Además, se minimizan las diferencias asociadas a los diferentes modos de exploración (normalmente para datos funcionales, este es el modo “eco de gradiente”, para datos anatómicos, T1). Por lo tanto, el modo de eco de gradiente puede estirar la imagen a lo largo de uno de los ejes en comparación con las imágenes estructurales de alta resolución.

3. Normalización espacial. Se sabe que la forma y el tamaño del cerebro humano varían considerablemente. Para comparar los datos obtenidos de diferentes pacientes, así como para procesar todo el grupo en su conjunto, se utilizan algoritmos matemáticos: la llamada transformación afín. En este caso, las imágenes de regiones individuales del cerebro se transforman: estiramiento, compresión, estiramiento, etc. - con la consiguiente reducción de los datos estructurales a un único sistema de coordenadas espaciales.

Actualmente, los más comunes en fMRI son dos sistemas de coordenadas espaciales: el sistema Taleras y el sistema del Instituto Neurológico de Montreal. El primero fue desarrollado por el neurocirujano francés Jean Talairach en 1988 basándose en mediciones post-mortem del cerebro de una mujer francesa de 60 años. Luego se dieron las coordenadas de todas las regiones anatómicas del cerebro relativas a la línea de referencia que conecta las comisuras anterior y posterior. Cualquier cerebro se puede colocar en este espacio estereotáxico y las áreas de interés se pueden describir mediante un sistema de coordenadas tridimensional (x, y, z). La desventaja de tal sistema son los datos de un solo cerebro. Por lo tanto, el sistema más popular es el desarrollado en el Instituto Neurológico de Montreal (MNI) basado en un cálculo total de datos de imágenes T1 de 152 canadienses.

Aunque ambos sistemas están referenciados desde la línea que conecta las comisuras anterior y posterior, las coordenadas de estos sistemas no son idénticas, especialmente cuando se acercan a las superficies convexitales del cerebro. Esto debe tenerse en cuenta al comparar los resultados obtenidos con los datos de los trabajos de otros investigadores.

Cabe señalar que esta etapa de procesamiento no se usa para el mapeo preoperatorio de las zonas de activación funcional en neurocirugía, ya que el propósito de la IRMf en tal situación es evaluar con precisión la ubicación de estas zonas en un paciente en particular.

4. Suavizado. La normalización espacial nunca es exacta, por lo que las regiones homólogas y, por tanto, sus zonas de activación, no se corresponden al 100 % entre sí. Para lograr la superposición espacial de zonas de activación similares en un grupo de sujetos, para mejorar la relación señal-ruido y, por lo tanto, mejorar la confiabilidad de los datos, se aplica una función de suavizado gaussiano. La esencia de esta etapa de procesamiento es el "desenfoque" de las zonas de activación de cada sujeto, como resultado de lo cual las áreas de su superposición aumentan en el análisis grupal. La desventaja es que se pierde resolución espacial.

Ahora, por fin, podemos pasar directamente al análisis estadístico, gracias al cual obtenemos datos sobre las zonas de activación en forma de mapas de colores superpuestos a los datos anatómicos. Los mismos datos pueden

Resonancia magnética funcional

Estadísticas: p-valores ajustados por volumen de búsqueda

nivel de conjunto no lsotroplc nivel de clúster ajustado nivel de vóxel

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

^ conectado "E ^ PFWE-con sin corregir ^ FDR-con T (Y ^ sin conectar

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

arroz. 6: Un ejemplo de la presentación de los resultados del posprocesamiento estadístico. A la izquierda, zonas de activación durante la ejecución del paradigma motor (subir - bajar el dedo índice derecho), combinado con la reconstrucción volumétrica del cerebro. Derecha - estadísticas para cada zona de activación

presentarse en formato digital indicando la significación estadística de la zona de activación, su volumen y coordenadas en el espacio estereotáxico (Fig. 6).

aplicación fMRI_

¿Cuándo se realiza la resonancia magnética funcional? En primer lugar, con fines puramente científicos: se trata del estudio del cerebro normal y su asimetría funcional. Esta técnica ha reavivado el interés de los investigadores por mapear las funciones cerebrales: sin recurrir a intervenciones invasivas, se puede ver qué áreas del cerebro son responsables de un proceso en particular. Quizás el mayor avance se haya logrado en la comprensión de los procesos cognitivos superiores, incluida la atención, la memoria y las funciones ejecutivas. Dichos estudios han hecho posible el uso de fMRI con fines prácticos alejados de la medicina y las neurociencias (como detector de mentiras, en investigación de mercados, etc.).

Además, la resonancia magnética funcional se está utilizando activamente en la medicina práctica. Actualmente, esta técnica es muy utilizada en la práctica clínica para el mapeo preoperatorio de las principales funciones (motoras, del habla) antes de intervenciones neuroquirúrgicas por masas cerebrales o epilepsia incurable. En los EE. UU., incluso existe un documento oficial: una guía práctica compilada por el Colegio Estadounidense de Radiología y la Sociedad Estadounidense de Neurorradiología, que describe todo el procedimiento en detalle.

Los investigadores también están tratando de introducir la resonancia magnética funcional en la práctica clínica habitual en diversas enfermedades neurológicas y psiquiátricas. El objetivo principal de numerosos trabajos en esta área es evaluar los cambios en el funcionamiento del cerebro en respuesta al daño en una u otra de sus áreas: pérdida y (o) cambio de zonas, su desplazamiento, etc., así como dinámica observación de la reestructuración de las zonas de activación en respuesta a la terapia farmacológica en curso, la terapia y/o las medidas de rehabilitación.

En última instancia, los estudios de fMRI realizados en pacientes de diversas categorías pueden ayudar a determinar el valor pronóstico de diversas variantes de reordenamiento cortical funcional para la restauración de funciones deterioradas y desarrollar algoritmos de tratamiento óptimos.

Posibles fracasos del estudio_

Al planificar una IRMf, siempre se deben tener en cuenta las diversas contraindicaciones, limitaciones y posibles

fuentes de error en la interpretación de los datos obtenidos tanto de voluntarios sanos como de pacientes.

Éstas incluyen:

Cualquier factor que afecte la interacción neurovascular y la hemodinámica y, como resultado, el contraste BOLD; por lo tanto, siempre es necesario tener en cuenta posibles cambios en el flujo sanguíneo cerebral, por ejemplo, debido a oclusiones o estenosis severas de las principales arterias de la cabeza y el cuello, tomando medicamentos vasoactivos; también se conocen hechos de una disminución o incluso inversión de la respuesta BOLD en algunos pacientes con gliomas malignos debido a una autorregulación alterada;

La presencia de contraindicaciones en el sujeto, comunes a cualquier estudio de resonancia magnética (marcapasos, claustrofobia, etc.);

Estructuras metálicas en el área de las partes faciales (cerebrales) del cráneo (prótesis postizas no removibles, clips, placas, etc.), que producen artefactos pronunciados en el modo "eco de gradiente";

Falta (dificultad) de cooperación por parte del sujeto durante la tarea, asociada tanto a su estado cognitivo como a una disminución de la visión, audición, etc., así como a una falta de motivación y debida atención a la tarea;

Movimiento expresado del sujeto durante la realización de tareas;

Diseño de estudio mal planificado (selección de una tarea de control, duración de bloques o del estudio completo, etc.);

Cuidadoso desarrollo de tareas, que es especialmente importante para la resonancia magnética funcional clínica, así como en el estudio de un grupo de personas o el mismo sujeto en dinámica para poder comparar las zonas de activación resultantes; las tareas deben ser reproducibles, es decir, las mismas durante todo el período del estudio y estar disponibles para que las completen todos los sujetos; una posible solución para los pacientes que no pueden realizar tareas relacionadas con el movimiento por sí mismos es el uso de paradigmas pasivos que utilizan varios dispositivos para mover las extremidades;

Elección incorrecta de los parámetros de escaneo (tiempo de eco - TE, tiempo de repetición - TR);

Establecer incorrectamente los parámetros de posprocesamiento de datos en varias etapas;

Interpretación errónea de los datos estadísticos obtenidos, mapeo incorrecto de las zonas de activación.

Conclusión

A pesar de las limitaciones anteriores, la resonancia magnética funcional es una técnica de neuroimagen moderna importante y versátil que combina las ventajas de la alta resolución espacial y la no invasividad con la ausencia de la necesidad de contraste intravenoso.

amplificación y exposición a la radiación. Sin embargo, esta técnica es muy complicada, y para completar con éxito las tareas asignadas a un investigador que trabaja con fMRI, se requiere un enfoque multidisciplinario, que involucre no solo a neurorradiólogos, sino también a biofísicos, neurofisiólogos, psicólogos, logopedas, médicos clínicos y matemáticos en el estudio. Solo en este caso es posible utilizar todo el potencial de fMRI y obtener resultados verdaderamente únicos.

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La resonancia magnética es indispensable en el diagnóstico de muchas enfermedades y le permite obtener una visualización detallada de los órganos y sistemas internos.

El departamento de resonancia magnética de la clínica NAKFF en Moscú está equipado con un tomógrafo Siemens MAGNETOM Aera de alto campo con un diseño de túnel abierto. La potencia del tomógrafo es de 1,5 Tesla. El equipo permite el examen de personas con un peso de hasta 200 kg, el ancho del túnel del aparato (abertura) es de 70 cm. El costo de los diagnósticos es asequible, mientras que el valor de los resultados obtenidos es increíblemente alto. En total se realizan más de 35 tipos de estudios de resonancia magnética.

Después del diagnóstico de resonancia magnética, el médico realiza una conversación con el paciente y emite un disco con una grabación. La conclusión se envía por correo electrónico.

Preparación

La mayoría de los estudios de imágenes por resonancia magnética no requieren capacitación especial. Sin embargo, por ejemplo, para la resonancia magnética del abdomen y los órganos pélvicos, se recomienda abstenerse de comer y beber 5 horas antes del examen.

Antes de visitar el centro de resonancia magnética (el día del examen), debe llevar ropa cómoda y sin elementos metálicos.

Contraindicaciones

Las contraindicaciones para la resonancia magnética se deben al hecho de que durante el estudio se forma un campo magnético poderoso que puede afectar la electrónica y los metales. En base a esto, una contraindicación absoluta para la resonancia magnética es la presencia de:

• marcapasos;
• neuroestimulador;
• implante electrónico de oído medio;
• clips metálicos en recipientes;
• bombas de insulina

Marcapasos instalado, neuroestimulador, implante electrónico de oído medio, clips metálicos en los vasos, bombas de insulina.

Restricciones

Si tiene instaladas construcciones metálicas grandes (por ejemplo, una endoprótesis articular), necesitará un documento que confirme la posibilidad y la seguridad de realizar una resonancia magnética. Puede ser un certificado del implante (generalmente emitido después de la operación) o un certificado del cirujano que realizó la intervención. La mayoría de estas estructuras están hechas de titanio médico, que no interfiere con el procedimiento. Pero, en cualquier caso, antes del estudio, infórmele al médico del departamento de radiología sobre la presencia de objetos extraños en el cuerpo: coronas en la cavidad bucal, perforaciones e incluso tatuajes (en este último, se pueden usar pinturas que contienen metales). ).

El precio de la resonancia magnética depende de la parte del cuerpo que se examina y de la necesidad de procedimientos adicionales (por ejemplo, la introducción de contraste). Entonces, una resonancia magnética del cerebro costará más que una tomografía de una mano. Regístrese para un estudio por teléfono en Moscú: +7 495 266-85-01 o deje una solicitud en el sitio web.

Brinda al investigador mucha información sobre la estructura anatómica de un órgano, tejido u otro objeto que cae en el campo de visión. Sin embargo, para formar una imagen completa de los procesos en curso, no hay suficientes datos sobre la actividad funcional. Y para esto solo existe la resonancia magnética funcional BOLD (BOLD - contraste dependiente del nivel de oxigenación de la sangre, o contraste, según el grado de saturación de oxígeno en la sangre).

BOLD fMRI es uno de los métodos más utilizados y conocidos para determinar la actividad cerebral. La activación conduce a un aumento en el flujo sanguíneo local con un cambio en la concentración relativa de hemoglobina oxigenada (enriquecida en oxígeno) y desoxigenada (pobre en oxígeno) en el flujo sanguíneo local.

Figura 1.Esquema reacciones cerebral circulación sanguínea V respuesta en excitación neuronas

La sangre desoxigenada es paramagnética (una sustancia capaz de magnetizarse) y conduce a una caída en el nivel de la señal de resonancia magnética. Si hay más sangre oxigenada en el área del cerebro, el nivel de la señal de resonancia magnética aumenta. Así, el oxígeno en la sangre actúa como agente de contraste endógeno.

Figura 2.Volumen cerebral suministro de sangre (A) Y ATREVIDO-respuesta IRMf (b) en activación primario motor ladrarhumano. Señal pasa V 4 etapas. 1 escenario – debido a activación neuronas se eleva consumooxígeno, aumenta cantidad desoxigenado sangre, ATREVIDO— señal Un poco disminuye (en cuadroNo mostrado, disminuir insignificante). Buques en expansión, debido a qué alguno disminuyesuministro de sangre cerebral telas. Escenario 2 – prolongado aumentar señal. Potencial comportamiento neuronastermina, Pero fluir oxigenado sangre aumenta inercialmente, Tal vez debido a impactobioquímico marcadores hipoxia. Escenario 3 – prolongado rechazar señal debido a normalizaciónsuministro de sangre. 4 escenario – post-estímulo recesión – llamado lento restauracion inicialsuministro de sangre.

Para activar el trabajo de las neuronas en ciertas áreas de la corteza, existen tareas especiales de activación. El diseño de tareas suele ser de dos tipos: "bloque" y "relacionado con eventos". Cada tipo asume la presencia de dos fases alternas: un estado activo y un reposo. En la resonancia magnética funcional clínica, las tareas del tipo "bloque" se utilizan con mayor frecuencia. Al realizar tales ejercicios, el sujeto alterna los llamados periodos ON- (estado activo) y OFF- (estado de descanso) de igual o diferente duración. Por ejemplo, a la hora de determinar el área de la corteza responsable de los movimientos de las manos, las tareas consisten en alternar movimientos de los dedos y periodos de inactividad, con una duración media de unos 20 segundos. Los pasos se repiten varias veces para aumentar la precisión del resultado de fMRI. En el caso de la tarea “relacionada con un evento”, el sujeto realiza una acción breve (por ejemplo, tragar o apretar el puño), seguida de un período de descanso, mientras que las acciones, en contraste con el diseño de bloques, se alternan de manera desigual y inconsistentemente

En la práctica, BOLD fMRI se utiliza en la planificación preoperatoria de resección (extirpación) de tumores, diagnóstico de malformaciones vasculares, en operaciones para formas graves de epilepsia y otras lesiones cerebrales. Durante la cirugía cerebral, es importante extirpar la lesión con la mayor precisión posible y, al mismo tiempo, evitar daños innecesarios en áreas vecinas funcionalmente importantes del cerebro.

Fig. 3.

A – tridimensional resonancia magnética— imagen cabeza cerebro. Flecha especificado ubicación motor ladrar Vprecentral giro.

b – mapa IRMf—actividad cerebro V precentral giro en movimienot mano.

El método es muy efectivo en el estudio de enfermedades degenerativas como el Alzheimer y el Parkinson, especialmente en las primeras etapas. No implica el uso de radiaciones ionizantes y agentes radiopacos, además, no es invasivo. Por lo tanto, puede considerarse bastante seguro para los pacientes que necesitan exámenes fMRI regulares y a largo plazo. La fMRI se puede utilizar para estudiar los mecanismos de formación de ataques epilépticos y evita la eliminación de la corteza funcional en pacientes con epilepsia intratable del lóbulo frontal. Monitorear la recuperación del cerebro después de un accidente cerebrovascular, estudiar los efectos de las drogas u otras terapias, monitorear y monitorear el tratamiento psiquiátrico: esta no es una lista completa de las posibles aplicaciones de la resonancia magnética funcional. Además, también está la resonancia magnética funcional en reposo, en la que un procesamiento de datos complejo permite ver las redes cerebrales funcionando en reposo.

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Texto: Daria Prokudina

Los cambios en la actividad del flujo sanguíneo se registran mediante imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI). El método se utiliza para determinar la localización de las arterias, para evaluar la microcirculación de los centros de visión, habla, movimiento, la corteza de algunos otros centros funcionales. Una característica del mapeo es que se le pide al paciente que realice ciertas tareas que aumentan la actividad del centro cerebral deseado (leer, escribir, hablar, mover las piernas).

En la etapa final, el software genera una imagen sumando tomogramas en capas convencionales e imágenes del cerebro con carga funcional. El complejo de información muestra un modelo tridimensional. El modelado espacial permite a los especialistas estudiar el objeto en detalle.

Junto con la espectroscopia de resonancia magnética, el estudio revela todas las características del metabolismo de las formaciones patológicas.

Principios de la resonancia magnética cerebral funcional

Las imágenes por resonancia magnética se basan en el registro de la radiofrecuencia alterada de los átomos de hidrógeno en un medio líquido después de la exposición a un fuerte campo magnético. La exploración clásica muestra componentes de tejido blando. Para mejorar la visibilidad de los vasos sanguíneos se realiza contraste intravenoso con gadolinio paramagnético.

La resonancia magnética funcional registra la actividad de áreas individuales de la corteza cerebral teniendo en cuenta el efecto magnético de la hemoglobina. La sustancia, después del retorno de la molécula de oxígeno a los tejidos, se convierte en un paramagneto, cuya radiofrecuencia es captada por los sensores del dispositivo. Cuanto más intenso sea el suministro de sangre al parénquima cerebral, mejor será la señal.

La magnetización de los tejidos aumenta adicionalmente por la oxidación de la glucosa. La sustancia es necesaria para garantizar los procesos de respiración tisular de las neuronas. El cambio en la inducción magnética es registrado por los sensores del dispositivo y procesado por la aplicación de software. Los dispositivos de alto campo crean una resolución de un alto grado de calidad. En el tomograma, se puede rastrear una imagen detallada de detalles con un diámetro de hasta 0,5 mm de diámetro.

El estudio de resonancia magnética funcional registra una señal no solo de los ganglios basales, la corteza cingulada, el tálamo, sino también de tumores malignos. Las neoplasias tienen su propia red vascular, a través de la cual entran en formación la glucosa y la hemoglobina. El seguimiento de la señal le permite estudiar los contornos, el diámetro y la profundidad de penetración del tumor en la sustancia blanca o gris.

El diagnóstico funcional de la resonancia magnética del cerebro requiere la calificación de un médico de diagnóstico de radiación. Las diferentes zonas de la corteza se caracterizan por una microcirculación diferente. La saturación con hemoglobina, la glucosa afecta la calidad de la señal. Debe tenerse en cuenta la estructura de la molécula de oxígeno, la presencia de sustitutos alternativos de los átomos.

Un fuerte campo magnético aumenta la vida media del oxígeno. El efecto funciona cuando la potencia del dispositivo es superior a 1,5 Tesla. Los entornos más débiles no pueden dejar de investigar la actividad funcional del cerebro.

La intensidad metabólica del suministro de sangre al tumor se determina mejor utilizando un equipo de alto campo con una potencia de 3 Tesla. La alta resolución le permitirá registrar un pequeño foco.

La eficacia de la señal en lenguaje científico se denomina "respuesta hemodinámica". El término se utiliza para describir la velocidad de los procesos neuronales con un intervalo de 1-2 segundos. El suministro de sangre a los tejidos no siempre es suficiente para los estudios funcionales. La calidad del resultado mejora con la administración adicional de glucosa. Después de la estimulación, el pico de saturación ocurre después de 5 segundos, cuando se realiza la exploración.

Características técnicas del estudio funcional de la resonancia magnética del cerebro.

El diagnóstico funcional de la resonancia magnética se basa en un aumento en la actividad de las neuronas después de la estimulación de la actividad cerebral al realizar una determinada tarea por parte de una persona. Un estímulo externo provoca la estimulación de la actividad sensorial o motora de un determinado centro.

Para rastrear el área, el modo de eco de gradiente se activa en función de la secuencia ecoplanar de impulso.

El análisis de la señal central en la resonancia magnética se realiza rápidamente. El registro de un tomograma se realiza en un intervalo de 100 ms. El diagnóstico se realiza después de la estimulación y durante el período de descanso. El software utiliza tomogramas para calcular focos de actividad neuronal, superponiendo áreas de señal amplificada en un modelo 3D del cerebro en reposo.

Para los médicos tratantes, este tipo de resonancia magnética proporciona información sobre procesos fisiopatológicos que no pueden ser rastreados por otros métodos de diagnóstico. El estudio de las funciones cognitivas es necesario para que los neuropsicólogos puedan diferenciar las enfermedades mentales de las psicológicas. El estudio ayuda a verificar focos epilépticos.

El mapa de mapeo final muestra más que solo áreas de mayor estimulación funcional. Las imágenes visualizan las zonas de actividad sensoriomotora y auditiva del habla alrededor del foco patológico.

La construcción de mapas de la ubicación de los canales cerebrales se denomina tractografía. La importancia funcional de la ubicación del tracto visual piramidal antes de planificar la cirugía permite a los neurocirujanos planificar correctamente la ubicación de las incisiones.

¿Qué muestra la resonancia magnética funcional?

La resonancia magnética de alto campo con pruebas funcionales se prescribe de acuerdo con las indicaciones, cuando es necesario estudiar los fundamentos fisiopatológicos del funcionamiento de las áreas motoras, sensoriales, visuales y auditivas de la corteza cerebral. Los neuropsicólogos utilizan la investigación en pacientes con deterioro del habla, la atención, la memoria y las funciones cognitivas.

Usando fMRI, una serie de enfermedades se detectan en la etapa inicial: Alzheimer, Parkinson, desmielinización en la esclerosis múltiple.

El diagnóstico funcional en diferentes centros médicos se realiza en diferentes unidades. Sabe lo que muestra la resonancia magnética del cerebro, el médico-diagnóstico. La consulta con un especialista es obligatoria antes del examen.

Los resultados de alta calidad se logran escaneando con un fuerte campo magnético. Antes de elegir un centro médico, le recomendamos que averigüe el tipo de dispositivo instalado. Es importante la calificación de un especialista, quien debe tener conocimiento del componente funcional, estructural del cerebro.

El futuro del diagnóstico por resonancia magnética funcional en medicina

La investigación funcional se ha introducido recientemente en la medicina práctica. Las posibilidades del método no se aprovechan lo suficiente.

Los científicos están desarrollando técnicas para visualizar sueños, leer pensamientos usando resonancia magnética funcional. Se supone que utiliza la tomografía para desarrollar un método de comunicación con personas paralizadas.

• excitabilidad neural;
• actividad mental;
• Grados de saturación de la corteza cerebral con oxígeno, glucosa;
• La cantidad de hemoglobina desoxilada en los capilares;
• Áreas de expansión del flujo sanguíneo;
• El nivel de oxihemoglobina en los vasos.

Ventajas del estudio:

1. Imagen temporal de alta calidad;
2. Resolución espacial superior a 3 mm;
3. Capacidad para estudiar el cerebro antes y después de la estimulación;
4. Inocuidad (en comparación con PET);
5. Sin invasividad.

El uso masivo de la resonancia magnética cerebral funcional está limitado por el alto costo de los equipos, cada examen individual, la imposibilidad de medir directamente la actividad neuronal, lo que no se puede hacer en pacientes con inclusiones metálicas en el cuerpo (clips vasculares, implantes de oído).

El registro del metabolismo funcional de la corteza cerebral tiene un gran valor diagnóstico, pero no es un indicador preciso para la evaluación dinámica de los cambios en el cerebro durante el tratamiento, después de la cirugía.

La resonancia magnética nuclear (RMN) es un método de obtención de imágenes médicas tomográficas para el examen no invasivo de órganos y tejidos internos, basado en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear (RMN). La tecnología apareció hace varias décadas, y hoy en día es posible someterse a un examen con un dispositivo de este tipo en muchas clínicas modernas. Sin embargo, los científicos continúan trabajando para mejorar la precisión de la tecnología y desarrollar sistemas nuevos y más eficientes. , Investigador Senior en el Instituto Max Planck en Tübingen (Alemania), es uno de los principales especialistas que desarrolla nuevos sensores para IRM experimental de campo ultraalto. El día anterior, realizó un curso especial sobre el programa de maestría " Sistemas y dispositivos de RF” de la Universidad ITMO, y en una entrevista con ITMO.NEWS, habló sobre su trabajo y cómo la nueva investigación en el campo de la resonancia magnética ayudará a que el diagnóstico de enfermedades sea más eficiente.

Durante los últimos años has estado trabajando en el Departamento de Resonancia Magnética de Alto Campo del Instituto Max Planck. Por favor, cuéntenos de qué se trata su investigación actual.

Estoy desarrollando nuevos sensores de radiofrecuencia (RF) para MRI. Lo que es la resonancia magnética, probablemente, ya sea conocido por la mayoría de las personas, porque en los últimos 40 años, desde que se desarrolló esta tecnología, logró llegar a una gran cantidad de clínicas y convertirse en una herramienta de diagnóstico indispensable. Pero incluso hoy en día, la gente está trabajando para mejorar esta tecnología mediante el desarrollo de nuevos sistemas de resonancia magnética.

Una resonancia magnética es principalmente un enorme imán cilíndrico en el que se coloca a un paciente o voluntario para obtener una imagen en 3D. Pero antes de crear esta imagen, debe investigar mucho. Lo llevan a cabo ingenieros, físicos, médicos y otros especialistas. Soy uno de los eslabones de esta cadena e investigo en la intersección de la física y la ingeniería. Más concretamente, estamos desarrollando sensores para IRM experimental de campo ultraalto, que se utiliza en la etapa de excitación, recepción y procesamiento de una señal obtenida como resultado del efecto físico de la RMN.

Una de las direcciones principales es el desarrollo de nuevos sistemas experimentales de resonancia magnética de campo ultraalto, es decir, el uso de un campo magnético constante más alto, lo que mejora la resolución de la imagen o reduce el tiempo de exploración, lo cual es muy importante para muchos estudios clínicos y diagnósticos.

Los tomógrafos clínicos convencionales usan campos constantes de hasta 3 T, pero ahora están apareciendo tomógrafos experimentales con un campo magnético de 7 T y más. Es habitual llamar a los tomógrafos con un campo magnético de 7 T y un campo ultraalto superior. Ya hay alrededor de cien tomógrafos con un campo de 7 T en el mundo, pero se están realizando avances para aumentar aún más el campo magnético. Por ejemplo, tenemos una máquina de resonancia magnética de 9,4 T en el Instituto Max Planck de Tübingen.

Pero incluso con la transición de 7 a 9,4 T, surgen muchos problemas técnicos que requieren desarrollos científicos y técnicos serios, incluido el cálculo y diseño de sensores para MRI de nueva generación.

¿Cuáles son estas dificultades?

Un aumento en el campo magnético constante da como resultado un aumento correspondiente en la frecuencia de los sensores de RF. Por ejemplo, los escáneres clínicos de 3 T utilizan transductores con una frecuencia de resonancia de unos 120 MHz, mientras que un escáner de 7 T requiere transductores con una frecuencia de 300 MHz. Esto conduce principalmente a un acortamiento de la longitud de onda del campo de RF en los tejidos humanos. Si la frecuencia de 120 MHz corresponde aproximadamente a una longitud de onda de 35-40 centímetros, entonces a una frecuencia de 300 MHz disminuye a un valor de unos 15 cm, que es mucho más pequeño que el tamaño del cuerpo humano.

Como resultado de este efecto, la sensibilidad de los sensores de RF puede distorsionarse gravemente al examinar objetos grandes (mayores que la longitud de onda). Esto genera dificultades en la interpretación de imágenes y el diagnóstico de enfermedades y patologías clínicas. En un campo de 9,4 T, que corresponde a una frecuencia de sensor de 400 MHz, todos estos problemas se vuelven aún más críticos.

Es decir, ¿tales imágenes se vuelven virtualmente ilegibles?

Yo no diría eso. Más precisamente, en algunos casos esto los hace difíciles de interpretar. Sin embargo, hay grupos que desarrollan técnicas para obtener imágenes de RM de todo el cuerpo humano. Sin embargo, las tareas de nuestro grupo se centran principalmente en el estudio del cerebro.

¿Qué oportunidades para la medicina están abriendo la investigación en el campo de la resonancia magnética de campo ultraalto?

Como sabe, durante una resonancia magnética, una persona debe permanecer inmóvil: si comienza a moverse durante las mediciones, la imagen se distorsionará. Al mismo tiempo, algunas técnicas de resonancia magnética pueden tardar hasta una hora, y está claro que es difícil no moverse durante todo este tiempo. La mayor sensibilidad de los tomógrafos de campo ultraalto hace posible obtener imágenes no solo con mayor resolución, sino también mucho más rápido. Esto es especialmente importante en el estudio de niños y pacientes de edad avanzada.

También es imposible no mencionar las posibilidades de la espectroscopia de resonancia magnética ( MRS, un método que le permite determinar los cambios bioquímicos en los tejidos en diversas enfermedades por la concentración de ciertos metabolitos - edición ).

En la resonancia magnética, la principal fuente de señal son los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua. Pero además de esto, existen otros átomos de hidrógeno que se encuentran en otras moléculas que son importantes para el funcionamiento del cuerpo humano. Los ejemplos incluyen varios metabolitos, neurotransmisores, etc. La medición de la distribución espacial de estas sustancias mediante MRS puede proporcionar información útil para el estudio de patologías asociadas a trastornos metabólicos en el cuerpo humano. A menudo, la sensibilidad de los tomógrafos clínicos es insuficiente para su estudio debido a su baja concentración y, en consecuencia, a una señal más pequeña.

Además de esto, se puede observar la señal de RMN no solo de los átomos de hidrógeno, sino también de otros átomos magnéticos, que también son muy importantes para el diagnóstico de enfermedades y la investigación médica. Sin embargo, en primer lugar, su señal de RMN es mucho más débil debido a la menor relación giromagnética y, en segundo lugar, su contenido natural en el cuerpo humano es mucho menor que los átomos de hidrógeno. La mayor sensibilidad de la resonancia magnética de campo ultraalto es extremadamente importante para la MRS.

Otra área importante de las técnicas de resonancia magnética, para las cuales es fundamental una mayor sensibilidad, es la resonancia magnética funcional, que es una técnica importante para los estudios cognitivos del cerebro humano.

Hasta el momento, la gran mayoría de las clínicas del mundo no cuentan con tomógrafos de alto campo. ¿Cuáles son las perspectivas de uso de tomógrafos de 7 T y posteriores de 9 T en diagnósticos convencionales?

Para que el tomógrafo llegue a la clínica, se debe certificar, comprobar las condiciones de seguridad y redactar la documentación correspondiente. Este es un procedimiento bastante complicado y largo. Hasta el momento, solo hay una empresa en el mundo que ha comenzado a certificar no solo los sensores que fabricamos, sino también el dispositivo en sí. Esto es Siemens.

Hay tomógrafos de 7 T, no hay tantos, y hasta ahora no pueden llamarse completamente clínicos. Lo que llamé es una opción preclínica, pero este dispositivo ya está certificado, es decir, potencialmente puede usarse en clínicas.

Es aún más difícil predecir cuándo aparecerán los tomógrafos de 9,4 T en las clínicas. El principal problema aquí es el posible calentamiento local de los tejidos por el campo de RF del sensor debido a una fuerte disminución de la longitud de onda. Una de las áreas importantes de la investigación de ingeniería en resonancia magnética de campo ultraalto es la simulación numérica detallada de este efecto para garantizar la seguridad del paciente. A pesar de que dicha investigación se lleva a cabo en el marco de instituciones científicas, la transición a la práctica clínica requiere investigación adicional.

¿Cómo se está construyendo ahora la cooperación entre el Instituto Max Planck y la Universidad ITMO? ¿Qué resultados conjuntos habéis conseguido ya obtener?

El trabajo avanza muy bien. Ahora, un estudiante de posgrado de la Universidad ITMO está trabajando con nosotros. Recientemente publicamos un artículo en una de las principales revistas sobre desarrollos técnicos en el campo de la resonancia magnética. En este trabajo, confirmamos experimentalmente los resultados de estudios teóricos previos que mejoran la sensibilidad de los sensores de RF de campo ultraalto mediante el uso de antenas dipolo modificadas y optimizadas. El resultado de este trabajo, en mi opinión, resultó ser muy prometedor.

Ahora también estamos trabajando en varios artículos más que se dedican al uso de métodos similares, pero para otras tareas. Y recientemente Georgy recibió una beca para un viaje a Alemania. El próximo mes, viene a nosotros por seis meses, y continuaremos trabajando juntos para seguir desarrollando sensores para MRI.

Esta semana realizó un curso especial sobre el programa de maestría "Sistemas y dispositivos de radiofrecuencia". ¿Cuáles son los principales temas que cubriste?

El curso está dedicado a varias características técnicas del desarrollo de sensores para MRI. Hay muchas sutilezas en esta área que debe conocer, por lo que he presentado una serie de técnicas básicas que se utilizan para diseñar y fabricar estos sensores. Además, presenté una conferencia sobre mis últimos desarrollos. En total, el curso incluye ocho conferencias de dos horas académicas, las cuales están diseñadas para cuatro días. También hay una demostración al final para ayudar a explicar estas técnicas más claramente.

Los estudiantes de maestría ahora están en el proceso de elegir su dirección futura, por lo que creo que este curso les brindará información adicional para evaluar sus perspectivas.

Y si hablamos de educación en el campo de las tecnologías de resonancia magnética en general, ¿qué conocimientos y habilidades, en su opinión, se requieren principalmente de tales especialistas en la actualidad?

A pesar de que nuestro campo ahora se ha vuelto muy popular y prometedor para su uso en diagnósticos clínicos, no existen cursos de ingeniería que capaciten a especialistas altamente especializados involucrados en la fabricación de bobinas de resonancia magnética. Había una brecha. Y creo que juntos podemos llenarlo.

Elena Ménshikova

Redacción del portal de noticias