Funkcjonalny rezonans magnetyczny. Nikolay Avdievich - o nowych urządzeniach MRI i ich możliwościach Funkcjonalne obrazowanie rezonansu magnetycznego mózgu

TECHNOLOGIA

E.I. Kremneva, R.N. Konovalov, M.V. Krotenkowa

Centrum Naukowe Neurologii Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych (Moskwa)

Od lat 90. XX wieku funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest jedną z wiodących metod mapowania obszarów funkcjonalnych mózgu ze względu na jego nieinwazyjność, brak ekspozycji na promieniowanie i stosunkowo szerokie zastosowanie. Istotą tej techniki jest pomiar zmian hemodynamicznych w odpowiedzi na aktywność neuronalną (efekt BOLD). Dla powodzenia eksperymentu fMRI niezbędne jest: dostępność odpowiedniego wsparcia technicznego (skaner MRI wysokiego pola, specjalny sprzęt do wykonywania zadań), opracowanie optymalnego projektu badania, postprocessing uzyskanych danych. Obecnie technikę tę wykorzystuje się nie tylko do celów naukowych, ale także w medycynie praktycznej. Należy jednak zawsze pamiętać o pewnych ograniczeniach i przeciwwskazaniach, zwłaszcza przy wykonywaniu fMRI u pacjentów z różnymi patologiami. Aby właściwie zaplanować badanie i zinterpretować jego wyniki, konieczne jest zaangażowanie różnych specjalistów: neuroradiologów, biofizyków, neurologów, psychologów, ponieważ fMRI jest techniką wielodyscyplinarną.

Słowa kluczowe: fMRI, kontrast BOLD, projekt badania, przetwarzanie końcowe

Od wielu stuleci naukowcy i lekarze interesują się funkcjonowaniem ludzkiego mózgu. Wraz z rozwojem postępu naukowego i technologicznego możliwe stało się podniesienie zasłony tej tajemnicy. Szczególnie cenne stało się wynalezienie i wprowadzenie do praktyki klinicznej tak nieinwazyjnej metody, jak rezonans magnetyczny (MRI). MRI jest metodą stosunkowo młodą: pierwszy komercyjny tomograf 1,5 T zaczął działać dopiero w 1982 r. Jednak już w 1990 r. ciągłe doskonalenie techniczne metody umożliwiło jej wykorzystanie nie tylko do badania cech strukturalnych mózgu, ale także do przestudiować jego działanie. W artykule skupimy się na technice umożliwiającej mapowanie różnych obszarów funkcjonalnych mózgu – funkcjonalnym rezonansie magnetycznym (fMRI).

Podstawowe zasady techniki fMRI_

fMRI to technika MRI, która mierzy odpowiedź hemodynamiczną (zmianę przepływu krwi) związaną z aktywnością neuronów. Opiera się na dwóch głównych koncepcjach: interakcji nerwowo-naczyniowej i kontraście BOLD.

fMRI nie pozwala nam bezpośrednio zobaczyć aktywności elektrycznej neuronów, ale robi to pośrednio, poprzez lokalne zmiany w przepływie krwi. Jest to możliwe dzięki zjawisku interakcji nerwowo-naczyniowej – regionalnej zmianie przepływu krwi w odpowiedzi na aktywację pobliskich neuronów. Efekt ten osiąga się poprzez złożoną sekwencję wzajemnie powiązanych reakcji zachodzących w neuronach, otaczających je glejach (astrocytach) i śródbłonku ściany naczyń, ponieważ przy zwiększonej aktywności neurony potrzebują więcej tlenu i składników odżywczych dostarczanych przez krwioobieg. Technika fMRI pozwala na bezpośrednią ocenę zmian w hemodynamice.

Stało się to możliwe w 1990 roku, kiedy Seiji Ogawa i jego koledzy z Bell Laboratories (USA) zaproponowali użycie kontrastu BOLD do badania fizjologii mózgu za pomocą MRI. Ich odkrycie zapoczątkowało nową erę

nowoczesnego neuroobrazowania funkcjonalnego i stanowi podstawę większości badań fMRI. BOLD kontrast (dosłownie - zależny od poziomu natlenienia krwi, w zależności od poziomu utlenowania krwi) to różnica w sygnale MR na obrazach wykorzystujących sekwencje gradientów w zależności od procentowej zawartości deoksyhemoglobiny. Deoksyhemoglobina ma odmienne właściwości magnetyczne od otaczających tkanek, co podczas skanowania prowadzi do miejscowego zakłócenia pola magnetycznego i zmniejszenia sygnału w sekwencji echa gradientowego. Kiedy w odpowiedzi na aktywację neuronów zwiększa się przepływ krwi, deoksyhemoglobina zostaje wypłukana z tkanek i zastąpiona natlenioną krwią, która ma właściwości magnetyczne podobne do otaczających tkanek. Wówczas zaburzenie pola maleje, a sygnał nie jest tłumiony – obserwujemy jego lokalne wzmocnienie (rys. 1A).

Podsumowując powyższe, ogólny schemat fMRI można przedstawić następująco: aktywacja neuronów w odpowiedzi na działanie bodźca i wzrost ich potrzeb metabolicznych prowadzi do lokalnego wzrostu przepływu krwi, rejestrowanego podczas fMRI w postać sygnału BOLD – produktu aktywności neuronalnej i odpowiedzi hemodynamicznej (ryc. 1B).

Ryż. Ryc. 1: A - schematyczna ilustracja kontrastu VOS w doświadczeniu Oda\ga ze zmianami procentowej zawartości tlenu we krwi szczurów; podczas wdychania zwykłego powietrza (21% tlenu) w korze (w górnej części rysunku) wyznaczane są obszary o obniżonym sygnale, odpowiadające naczyniom o dużej zawartości deoksyhemoglobiny; podczas wdychania czystego tlenu rejestrowany jest jednorodny sygnał MR z kory mózgowej (w dolnej części rysunku); B - ogólny schemat generowania sygnału WOS

Planowanie eksperymentu

Aby przeprowadzić badanie fMRI, należy posiadać tomograf MR wysokiego pola (wartość indukcji pola magnetycznego - 1,5 T i więcej), różnorodny sprzęt do wykonywania zadań podczas skanowania (słuchawki, okulary wideo, projektor, różne piloty i joysticki do informacje zwrotne od badanych itp.). Ważnym czynnikiem jest chęć podmiotu do współpracy.

Schematycznie sam proces skanowania (na przykładzie stymulacji wzrokowej) wygląda następująco (ryc. 2): badany znajduje się w tomografie; poprzez specjalny system luster umieszczonych nad jego głową ma dostęp do obrazów wyświetlanych na ekranie za pomocą projektora wideo. Aby uzyskać informację zwrotną (jeśli jest to uwzględnione w zadaniu), pacjent naciska przycisk na pilocie. Dostarczanie zachęt i monitorowanie realizacji zadań odbywa się za pomocą konsoli znajdującej się w sterowni.

Zadania, które wykonuje podmiot, mogą być różne: wizualne, poznawcze, motoryczne, mowy itp., w zależności od postawionych celów. Wyróżnia się dwa główne typy prezentacji bodźców w zadaniu: w formie bloków – konstrukcja blokowa oraz w formie pojedynczych bodźców izolowanych – konstrukcja dyskretna (ryc. 3). Możliwa jest również kombinacja obu tych opcji - projekt mieszany.

Najbardziej rozpowszechniona, zwłaszcza w przypadku zadań motorycznych, jest konstrukcja blokowa, w której identyczne bodźce gromadzone są w blokach naprzemiennie. Przykładem może być zadanie ściskania gumowej piłki (każde ściśnięcie to odrębny bodziec) przez określony czas (średnio 20-30 s), na zmianę z okresami odpoczynku o podobnej długości. Ten projekt ma największą moc statystyczną, ponieważ sumuje poszczególne sygnały BOLD. Jest jednak z reguły przewidywalny dla pacjentów i nie pozwala na ocenę reakcji na pojedynczy bodziec, w związku z czym nie nadaje się do niektórych zadań, szczególnie poznawczych.

Ryż. Ryc. 2: Schemat eksperymentu fMRI (na podstawie materiałów z zasobu http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, z modyfikacjami)

Blok

Dyskretny (związany ze zdarzeniem)

A 11 i A D1 iil iitU I I,

Ryż. 3: Główne typy projektów badań fMRI

Funkcjonalny rezonans magnetyczny

W tym celu stosuje się projekt dyskretny, w którym bodźce prezentowane są w chaotycznej kolejności w różnych odstępach czasu. Przykładowo osobie cierpiącej na arachnofobię pokazywane są neutralne obrazy (kwiaty, budynki itp.), wśród których od czasu do czasu pojawiają się obrazy pająka, co pozwala ocenić aktywację mózgu w odpowiedzi na nieprzyjemne bodźce. Przy konstrukcji blokowej byłoby to trudne: po pierwsze podmiot wie, kiedy pojawi się blokada i już z wyprzedzeniem się na nią przygotowuje, a po drugie, jeśli ten sam bodziec prezentowany jest przez dłuższy czas, reakcja na niego jest przytępiona. Jest to dyskretna konstrukcja, która może zostać wykorzystana w fMRI jako wykrywacz kłamstw lub w badaniach marketingowych, gdy ochotnikom pokazuje się różne wersje produktu (jego opakowanie, kształt, kolor) i obserwuje się ich nieświadome reakcje.

Wybraliśmy więc projekt zadania i przeprowadziliśmy skanowanie. Co w efekcie otrzymamy? Po pierwsze, istnieje seria danych funkcjonalnych 4D w sekwencji echa gradientowego, która reprezentuje wielokrotne powtarzane skany całej objętości mózgu podczas wykonywania zadania. Po drugie, trójwymiarowy obraz anatomiczny o wysokiej rozdzielczości: na przykład 1 x 1 x 1 mm (ryc. 4). To ostatnie jest niezbędne do dokładnego mapowania stref aktywacji, ponieważ dane funkcjonalne mają niską rozdzielczość przestrzenną.

Przetwarzanie danych_

Zmiany sygnału MR w obszarach aktywacji mózgu w różnych warunkach wynoszą zaledwie 3-5% i są nieuchwytne dla ludzkiego oka. Dlatego też uzyskane dane funkcjonalne poddawane są następnie analizie statystycznej: dla każdego woksela obrazu wykreślana jest krzywa zależności natężenia sygnału MR od czasu w różnych warunkach – eksperymentalnym (dostarczanie bodźca) i kontrolnym. W efekcie otrzymujemy statystyczną mapę aktywacji połączoną z danymi anatomicznymi.

Jednak przed bezpośrednim przeprowadzeniem takiej analizy należy przygotować „surowe” dane uzyskane na koniec skanowania i ograniczyć zmienność wyników niezwiązaną z zadaniem eksperymentalnym. Algorytm przygotowania jest procesem wieloetapowym i jest bardzo ważny dla zrozumienia ewentualnych błędów i błędów podczas interpretacji uzyskanych wyników. Obecnie istnieją różne programy -

Ř -.V w<# %>

40 4"r h® Ф szer

Ryż. 4: Seria danych funkcjonalnych (A) i anatomicznych (B) uzyskanych na końcu badania

Nowe oprogramowanie do wstępnej obróbki uzyskanych danych, produkowane zarówno przez producentów skanerów MRI, jak i niezależne laboratoria badawcze fMRI. Jednak pomimo różnic w stosowanych metodach, ich nazwach i prezentacji danych, wszystkie etapy przygotowania sprowadzają się do kilku podstawowych kroków.

1. Korekta ruchu głowy pacjenta. Podczas wykonywania zadań jest to nieuniknione, pomimo stosowania różnorodnych urządzeń do mocowania głowy (maski, zaciski na cewce nagłownej itp.). Nawet minimalny ruch może skutkować dużymi sztucznymi zmianami w intensywności sygnału MR pomiędzy kolejnymi wolumenami danych, szczególnie jeśli ruch głowy jest związany z wykonywaniem zadania eksperymentalnego. W tym przypadku trudno odróżnić „prawdziwą” aktywację BOLD od aktywacji „sztucznej” – powstałej w wyniku ruchu podmiotu (ryc. 5).

Ogólnie przyjmuje się, że optymalne przemieszczenie głowicy wynosi nie więcej niż 1 mm. W tym przypadku przemieszczenie prostopadłe do płaszczyzny skanowania (kierunek „głowa – stopy”) jest znacznie gorsze dla prawidłowego przetwarzania statystycznego wyników niż przemieszczenie w płaszczyźnie skanowania. Na tym etapie wykorzystywany jest algorytm transformacji ciała sztywnego – transformacji przestrzennej, w której zmienia się jedynie położenie i orientacja obiektu, a jego wymiary czy kształt są stałe. W praktyce przetwarzanie wygląda następująco: wybiera się referencyjną (zwykle pierwszą) objętość funkcjonalną obrazów i wszystkie kolejne objętości funkcjonalne są z nią matematycznie dopasowywane, podobnie jak układamy kartki papieru w stosie.

2. Rejestracja rdzeniowa danych funkcjonalnych i anatomicznych.

Różnice w położeniu głowy pacjenta są zminimalizowane. Przeprowadza się także komputerowe przetwarzanie i porównanie danych anatomicznych o wysokiej rozdzielczości z danymi funkcjonalnymi o bardzo niskiej rozdzielczości, aby umożliwić późniejszą lokalizację stref aktywacji.

Ryż. 5: Przykład przemieszczenia głowy pacjenta podczas skanowania podczas wykonywania paradygmatu motorycznego. W górnej części rysunku znajduje się wykres ruchu głowy osoby badanej w trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach: środkowa krzywa odzwierciedla przemieszczenie pacjenta wzdłuż osi z (kierunek „od stóp do głów”) i wyraźnie odbiega od początku ruchu i na jego końcu. W dolnej części znajdują się statystyczne mapy aktywacji tego samego obiektu bez korekcji ruchu. Typowe artefakty ruchowe są identyfikowane w postaci półpierścieni wzdłuż krawędzi materii mózgowej

Ponadto minimalizowane są różnice związane z różnymi trybami skanowania (przeważnie dla danych funkcjonalnych jest to tryb „echa gradientowego”, dla danych anatomicznych – T1). Zatem tryb echa gradientowego może powodować pewne rozciągnięcie obrazu wzdłuż jednej z osi w porównaniu z obrazami strukturalnymi o wysokiej rozdzielczości.

3. Normalizacja przestrzenna. Wiadomo, że kształt i wielkość ludzkiego mózgu znacznie się od siebie różnią. Aby porównać dane uzyskane od różnych pacjentów, a także przetworzyć całą grupę jako całość, stosuje się algorytmy matematyczne: tzw. transformację afiniczną. W tym przypadku obrazy poszczególnych obszarów mózgu ulegają transformacji - rozciąganiu, ściskaniu, rozciąganiu itp. - następnie redukcja danych konstrukcyjnych do jednolitego przestrzennego układu współrzędnych.

Obecnie dwoma najpopularniejszymi układami współrzędnych przestrzennych w fMRI są system Thaleras i system Montreal Neuroological Institute. Pierwszy został opracowany przez francuskiego neurochirurga Jeana Talairacha w 1988 roku na podstawie sekcji zwłok mózgu 60-letniej Francuzki. Następnie podano współrzędne wszystkich obszarów anatomicznych mózgu w stosunku do linii odniesienia łączącej spoidło przednie i tylne. W tej stereotaktycznej przestrzeni można umieścić dowolny mózg, a obszary zainteresowań można opisać za pomocą trójwymiarowego układu współrzędnych (x, y, z). Wadą takiego systemu jest to, że zawiera dane tylko z jednego mózgu. Dlatego w Instytucie Neurologicznym w Montrealu (MNI) opracowano bardziej popularny system w oparciu o całkowite obliczenia danych obrazu T1 od 152 Kanadyjczyków.

Choć w obu systemach liczenie prowadzi się od linii łączącej spoidła przednie i tylne, współrzędne tych układów nie są identyczne, zwłaszcza w miarę zbliżania się do wypukłych powierzchni mózgu. Należy o tym pamiętać, porównując uzyskane wyniki z danymi z prac innych badaczy.

Należy zaznaczyć, że ten etap przetwarzania nie służy do przedoperacyjnego mapowania stref aktywacji funkcjonalnej w neurochirurgii, gdyż celem fMRI w takiej sytuacji jest dokładna ocena lokalizacji tych stref u konkretnego pacjenta.

4. Wygładzanie. Normalizacja przestrzenna nigdy nie jest dokładna, więc regiony homologiczne, a zatem ich strefy aktywacji, nie są w 100% spójne. Aby uzyskać przestrzenne nakładanie się podobnych stref aktywacji w grupie badanych, poprawić stosunek sygnału do szumu i tym samym zwiększyć wiarygodność danych, stosuje się funkcję wygładzania Gaussa. Istotą tego etapu przetwarzania jest „rozmycie” stref aktywacji każdego podmiotu, w wyniku czego w trakcie analizy grupowej zwiększają się obszary ich nakładania się. Wada: utrata rozdzielczości przestrzennej.

Teraz wreszcie możemy przejść bezpośrednio do analizy statystycznej, w wyniku której uzyskujemy dane o strefach aktywacji w postaci kolorowych map nałożonych na dane anatomiczne. Te same dane mogą

Funkcjonalny rezonans magnetyczny

Statystyki: p-va/ues dostosowane do liczby wyszukiwań

poziom zestawu, poziom woksela dostosowany bez użycia lsotroplc

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

^ podłączony "E ^ nieskorygowany PFWE-con ^ FDR-con T (U ^ niepołączony

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

Ryż. Rys. 6: Przykład prezentacji statystycznych wyników postprocessingu. Po lewej stronie - strefy aktywacji podczas wykonywania paradygmatu motorycznego (podnoszenie - opuszczanie prawego palca wskazującego), połączone z rekonstrukcją wolumetryczną mózgu. Po prawej stronie - dane statystyczne dla każdej strefy aktywacji

być prezentowane w formacie cyfrowym, wskazując istotność statystyczną strefy aktywacji, jej objętość i współrzędne w przestrzeni stereotaktycznej (ryc. 6).

Zastosowania fMRI_

W jakich przypadkach wykonuje się fMRI? Po pierwsze, w celach czysto naukowych: jest to badanie funkcjonowania normalnego mózgu i jego asymetrii funkcjonalnej. Technika ta ożywiła zainteresowanie badaczy mapowaniem funkcji mózgu: bez uciekania się do inwazyjnych interwencji można zobaczyć, które obszary mózgu są odpowiedzialne za dany proces. Być może największy postęp dokonał się w zrozumieniu wyższych procesów poznawczych, w tym uwagi, pamięci i funkcji wykonawczych. Badania takie umożliwiły wykorzystanie fMRI do celów praktycznych, odległych od medycyny i neuronauki (jako wykrywacz kłamstw, w badaniach marketingowych itp.).

Ponadto fMRI jest aktywnie wykorzystywane w medycynie praktycznej. Obecnie technika ta jest szeroko stosowana w praktyce klinicznej do przedoperacyjnego mapowania podstawowych funkcji (ruchowych, mowy) przed interwencjami neurochirurgicznymi w przypadku zajmujących przestrzeń uszkodzeń mózgu lub nieuleczalnej padaczki. W USA istnieje nawet oficjalny dokument – ​​praktyczny przewodnik opracowany przez American College of Radiology i American Society of Neuroradiology, który szczegółowo opisuje całą procedurę.

Naukowcy próbują także wprowadzić fMRI do rutynowej praktyki klinicznej w leczeniu różnych chorób neurologicznych i psychiatrycznych. Głównym celem licznych prac w tej dziedzinie jest ocena zmian w funkcjonowaniu mózgu w odpowiedzi na uszkodzenie jednego lub drugiego z jego obszarów - utratę i (lub) przełączenie stref, ich przemieszczenie itp., A także dynamikę obserwacja restrukturyzacji stref aktywacji w odpowiedzi na terapię lekową i (lub) działania rehabilitacyjne.

Ostatecznie badania fMRI przeprowadzone na pacjentach różnych kategorii mogą pomóc w określeniu wartości prognostycznej różnych opcji restrukturyzacji funkcjonalnej kory w celu przywrócenia upośledzonych funkcji i opracowania optymalnych algorytmów leczenia.

Możliwe niepowodzenia badania_

Planując fMRI, należy zawsze mieć na uwadze różne przeciwwskazania, ograniczenia i możliwości

źródła błędów w interpretacji danych uzyskanych zarówno w przypadku zdrowych ochotników, jak i pacjentów.

Obejmują one:

Wszelkie czynniki wpływające na interakcję nerwowo-naczyniową i hemodynamikę, a w rezultacie na kontrast BOLD; dlatego należy zawsze liczyć się z możliwymi zmianami w mózgowym przepływie krwi, na przykład na skutek niedrożności lub ciężkich zwężeń głównych tętnic głowy i szyi, czy też przyjmowaniem leków wazoaktywnych; Znane są również fakty dotyczące zmniejszenia lub nawet odwrócenia odpowiedzi BOLD u niektórych pacjentów z glejakami złośliwymi z powodu upośledzonej autoregulacji;

u pacjenta występują przeciwwskazania typowe dla każdego badania MRI (rozrusznik serca, klaustrofobia itp.);

Konstrukcje metalowe w okolicy części twarzowej (mózgowej) czaszki (protezy stałe, klipsy, płytki itp.), wytwarzające wyraźne artefakty w trybie „echa gradientowego”;

Brak (trudność) współpracy podmiotu podczas wykonywania zadania, związany zarówno z jego stanem poznawczym, jak i pogorszeniem wzroku, słuchu itp., a także brakiem motywacji i właściwej uwagi do wykonania zadania;

Wyraźny ruch podmiotu podczas wykonywania zadań;

Źle zaplanowany projekt badania (wybór zadania kontrolnego, czas trwania bloków lub całego badania itp.);

Staranne opracowanie zadań, co jest szczególnie ważne w przypadku klinicznego fMRI, a także przy badaniu grupy osób lub tego samego podmiotu w czasie, aby móc porównać powstałe strefy aktywacji; zadania muszą być powtarzalne, czyli takie same przez cały okres studiów i mogą być realizowane przez wszystkich przedmiotów; Jednym z możliwych rozwiązań dla pacjentów, którzy nie są w stanie samodzielnie wykonywać czynności ruchowych, jest zastosowanie paradygmatów pasywnych wykorzystujących różne urządzenia do poruszania kończynami;

Nieprawidłowy dobór parametrów skanowania (czas echa – TE, czas powtarzania – TR);

Nieprawidłowe parametry przetwarzania danych na różnych etapach;

Błędna interpretacja uzyskanych danych statystycznych, nieprawidłowe mapowanie stref aktywacji.

Wniosek

Pomimo powyższych ograniczeń fMRI jest ważną i wszechstronną nowoczesną techniką neuroobrazowania, która łączy w sobie zalety wysokiej rozdzielczości przestrzennej i nieinwazyjności z brakiem konieczności podawania kontrastu dożylnego.

wzmocnienie i ekspozycja na promieniowanie. Technika ta jest jednak bardzo złożona i aby pomyślnie zrealizować zadania stawiane badaczowi pracującemu z fMRI, wymagane jest podejście multidyscyplinarne – angażujące w badania nie tylko neuroradiologów, ale także biofizyków, neurofizjologów, psychologów, logopedów, lekarzy klinicznych, i matematycy. Tylko w tym przypadku możliwe jest wykorzystanie pełnego potencjału fMRI i uzyskanie naprawdę unikalnych wyników.

Bibliografia

1. Ashburner J., Friston K. Multimodalna współrejestracja i partycjonowanie obrazów - ujednolicona struktura. Neurolmage 1997; 6 (3): 209-217.

2. Brian N. Pasley, Ralph D. Freeman. Sprzężenie nerwowo-naczyniowe. Scholarpedia 2008; 3(3):5340.

3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. Wpływ wieku i stopnia zaawansowania nowotworu na funkcjonalne obrazowanie MR metodą BOLD w przedoperacyjnej ocenie pacjentów z glejakiem. Radiologia 2008; 3: 971-978.

4. Techniki i protokoły Filippi M. fMRI. Humana Press 2009: 25.

5. Friston K.J., Williams S., HowardR. i in. Efekty związane z ruchem w szeregach czasowych fMRI. Powiększenie Powód. Med. 1996; 35: 346-355.

6. Glover, G.H., Lai S. Samonawigacja spiralna fMRI: przeplatana w porównaniu z pojedynczym strzałem. Powiększenie Powód. Med. 1998; 39: 361-368.

7. Haller S, Bartsch A.J. Pułapki w fMRI. EUR. Radiol. 2009; 19:2689-2706.

8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. i in. Zależny od poziomu utlenowania krwi MRI glejaków mózgu podczas wstrzymywania oddechu. J. Magn. Obrazowanie rezonansowe 2004; 2: 160-167.

9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego. Spółka Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.

10. Ogawa S., Lee T.M. Rezonans magnetyczny naczyń krwionośnych w wysokich polach: Pomiary in vivo i in vitro oraz symulacja obrazu. Powiększenie Powód. Med. 1990; 16 (1): 9-18.

Rezonans magnetyczny jest niezbędny w diagnostyce wielu chorób i pozwala na szczegółową wizualizację narządów i układów wewnętrznych.

Oddział MRI kliniki NACFF w Moskwie jest wyposażony w tomograf wysokiego pola Siemens MAGNETOM Aera o konstrukcji otwartego tunelu. Moc tomografu wynosi 1,5 Tesli. Sprzęt umożliwia badanie osób o masie ciała do 200 kg, szerokość tunelu aparatu (apertury) wynosi 70 cm.W naszej klinice można wykonać badanie rezonansem magnetycznym kręgosłupa, stawów, narządów wewnętrznych, w tym z wprowadzeniem środka kontrastowego , a także poddać się rezonansowi magnetycznemu mózgu głowy Koszt diagnostyki jest przystępny, a wartość uzyskanych wyników niezwykle wysoka. Łącznie wykonuje się ponad 35 rodzajów badań rezonansu magnetycznego.

Po rozpoznaniu rezonansu magnetycznego lekarz przeprowadza rozmowę z pacjentem i wydaje płytę z nagraniem. Wniosek przekazywany jest za pośrednictwem poczty elektronicznej.

Przygotowanie

Większość badań rezonansu magnetycznego nie wymaga specjalnego przygotowania. Natomiast np. w przypadku rezonansu magnetycznego jamy brzusznej i narządów miednicy zaleca się powstrzymanie się od jedzenia i picia na 5 godzin przed badaniem.

Przed wizytą w gabinecie rezonansu magnetycznego (w dniu badania) należy założyć wygodny strój bez elementów metalowych.

Przeciwwskazania

Przeciwwskazania do wykonania rezonansu magnetycznego wynikają z faktu, że w trakcie badania generowane jest silne pole magnetyczne, które może oddziaływać na elektronikę i metale. Na tej podstawie bezwzględnym przeciwwskazaniem do MRI jest obecność:

• rozrusznik serca;
• neurostymulator;
• elektroniczny implant ucha środkowego;
• metalowe klipsy na naczynia;
• pompy insulinowe

Zainstalowany rozrusznik serca, neurostymulator, elektroniczny implant ucha środkowego, metalowe klipsy na naczynia krwionośne, pompy insulinowe.

Ograniczenia w wykonywaniu

Jeśli masz zamontowane duże konstrukcje metalowe (np. endoprotezę stawu), będziesz potrzebować dokumentu stwierdzającego możliwość i bezpieczeństwo wykonania MRI. Może to być zaświadczenie o wszczepieniu implantu (zwykle wydawane po operacji) lub zaświadczenie od chirurga, który przeprowadził interwencję. Większość tych struktur wykonana jest z tytanu klasy medycznej, który nie zakłóca zabiegu. Ale w każdym razie przed badaniem powiedz lekarzowi na oddziale radiologii o obecności ciał obcych w ciele - koronach w jamie ustnej, kolczykach, a nawet tatuażach (w tym ostatnim można zastosować farby zawierające metal) .

Cena rezonansu magnetycznego uzależniona jest od badanej części ciała oraz konieczności wykonania dodatkowych zabiegów (np. podania kontrastu). Zatem rezonans magnetyczny mózgu będzie kosztować więcej niż tomografia jednej ręki. Zapisz się na badanie telefonicznie w Moskwie: +7 495 266-85-01 lub zostaw prośbę na stronie internetowej.

Daje badaczowi wiele informacji na temat budowy anatomicznej narządu, tkanki lub innego obiektu, który pojawia się w polu widzenia. Aby jednak stworzyć całościowy obraz zachodzących procesów, nie ma wystarczających danych na temat aktywności funkcjonalnej. I do tego celu służy BOLD-funkcjonalny rezonans magnetyczny (BOLD – kontrast zależny od poziomu utlenowania krwi, czyli kontrast zależny od stopnia nasycenia krwi tlenem).

BOLD fMRI to jedna z najpopularniejszych i powszechnie znanych metod pomiaru aktywności mózgu. Aktywacja powoduje zwiększenie lokalnego przepływu krwi wraz ze zmianami względnego stężenia utlenionej (wzbogaconej w tlen) i odtlenionej (ubogiej w tlen) hemoglobiny w krążeniu lokalnym.

Ryc.1.Schemat reakcje mózg przepływ krwi V odpowiedź NA pobudzenie neurony.

Odtleniona krew jest paramagnetykiem (substancją, którą można namagnesować) i powoduje spadek poziomu sygnału MRI. Jeśli w obszarze mózgu znajduje się więcej natlenionej krwi, poziom sygnału MRI wzrasta. Zatem tlen we krwi działa jako endogenny środek kontrastowy.

Ryc.2.Tom mózg dopływ krwi (A) I POGRUBIONY-odpowiedź fMRI (B) Na aktywacja podstawowy silnik koraosoba. Sygnał Karnety V 4 gradacja. 1 scena – wskutek aktywacja neurony wzrasta konsumpcjatlen, wzrasta ilość odtleniony krew, POGRUBIONY— sygnał Trochę maleje (NA grafikaNie pokazane, zmniejszenie drobny). Statki rozszerzają się, wskutek Co Niektóre malejedopływ krwi mózgowy tekstylia. Scena 2 – długoterminowy zwiększyć sygnał. Potencjał działania neuronykończy się, Ale przepływ dotleniony krew wzrasta bezwładnie, Może wskutek uderzenieBiochemiczne znaczniki niedotlenienie. Scena 3 – długoterminowy spadek sygnał wskutek normalizacjadopływ krwi. 4 scena – po bodźcu recesja – zwany powolny przywrócenie oryginalnydopływ krwi

Aby aktywować pracę neuronów w niektórych obszarach kory, istnieją specjalne zadania aktywujące. Projektowanie zadań zwykle występuje w dwóch typach: „blokowy” i „związany ze zdarzeniem”. Każdy typ zakłada obecność dwóch naprzemiennych faz - stanu aktywnego i stanu spoczynku. W klinicznym fMRI częściej stosuje się zadania typu „blok”. Podczas wykonywania takich ćwiczeń osoba badana naprzemiennie wykorzystuje tzw. okresy ON (stan aktywny) i OFF (stan spoczynku), które trwają jednakowo lub nierówno. Przykładowo przy identyfikacji obszaru kory odpowiedzialnego za ruchy dłoni zadania polegają na naprzemiennych ruchach palców i okresach bezczynności trwających średnio około 20 sekund. Kroki powtarza się kilka razy, aby zwiększyć dokładność wyniku fMRI. W przypadku zadania eventowego podmiot wykonuje jedną krótką czynność (np. połknięcie lub zaciśnięcie pięści), po której następuje okres odpoczynku, przy czym czynności, w przeciwieństwie do konstrukcji blokowej, przebiegają naprzemiennie nierównomiernie i niekonsekwentnie.

W praktyce BOLD fMRI wykorzystuje się w przedoperacyjnym planowaniu resekcji (usunięcia) guzów, diagnostyce malformacji naczyniowych oraz podczas operacji ciężkich postaci padaczki i innych zmian w mózgu. Podczas operacji mózgu ważne jest możliwie najdokładniejsze usunięcie zmiany, unikając jednocześnie niepotrzebnego uszkodzenia sąsiadujących, funkcjonalnie ważnych obszarów mózgu.

Ryc.3.

A – trójwymiarowy MRI— obraz głowa mózg. Strzałka wskazany Lokalizacja silnik kora Vprzedcentralny zakręt.

B – mapa fMRI—działalność mózg V przedcentralny zakręt Na ruch ręka.

Metoda jest bardzo skuteczna w badaniu chorób zwyrodnieniowych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona, zwłaszcza we wczesnych stadiach. Nie wymaga użycia promieniowania jonizującego ani środków nieprzepuszczalnych dla promieni rentgenowskich i jest nieinwazyjny. Można zatem uznać ją za w miarę bezpieczną dla pacjentów wymagających długotrwałych i regularnych badań fMRI. fMRI można wykorzystać do badania mechanizmów powstawania napadów padaczkowych i pozwala uniknąć usunięcia kory czynnościowej u pacjentów z oporną na leczenie padaczką czołową. Monitorowanie regeneracji mózgu po udarach, badanie działania leków lub innych terapii, monitorowanie i monitorowanie leczenia chorób psychicznych – to nie jest pełna lista możliwych zastosowań fMRI. Ponadto istnieje również spoczynkowe fMRI, w którym złożone przetwarzanie danych pozwala nam zobaczyć sieci mózgowe funkcjonujące w stanie spoczynku.

Źródła:

1. Jak dobrze rozumiemy neuronalne pochodzenie sygnału fMRI BOLD? Owen J. Arthur, Simon Boniface. TRENDY w Neurosciences, tom 25, nr 1, styczeń 2002
2. Fizyka funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) R. B. Buxton. Reprezentant. Wałówka. Fiz. 76 (2013)
3. Zastosowanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w praktyce klinicznej. Recenzja naukowa. Belyaev A., Peck Kung K., Brennan N., Kholodny A. Rosyjski elektroniczny dziennik radiologii. Tom 4 nr 1 2014
4. Mózg, poznanie, umysł: wprowadzenie do neuronauki poznawczej. Część 2 . B. Baars, N. Gage. M.: Binom. 2014 s. 353-360.

Tekst: Daria Prokudina

Zmiany w aktywności przepływu krwi rejestruje się za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Metodę tę stosuje się do określenia lokalizacji tętnic, oceny mikrokrążenia ośrodków wzroku, mowy, ruchu i kory innych ośrodków funkcjonalnych. Cechą mapowania jest to, że pacjent jest proszony o wykonanie określonych zadań, które zwiększają aktywność pożądanego ośrodka mózgowego (czytanie, pisanie, mówienie, poruszanie nogami).

W końcowej fazie oprogramowanie generuje obraz poprzez sumowanie konwencjonalnych tomogramów warstwa po warstwie i obrazów mózgu z obciążeniem funkcjonalnym. Kompleks informacji jest wyświetlany za pomocą trójwymiarowego modelu. Modelowanie przestrzenne pozwala specjalistom szczegółowo zbadać obiekt.

Wraz ze spektroskopią MRI badanie ujawnia wszystkie cechy metaboliczne formacji patologicznych.

Zasady funkcjonalnego MRI mózgu

Rezonans magnetyczny polega na rejestrowaniu zmienionej częstotliwości radiowej atomów wodoru w płynnych ośrodkach po wystawieniu na działanie silnego pola magnetycznego. Skanowanie klasyczne pokazuje elementy tkanek miękkich. W celu poprawy widoczności naczyń krwionośnych wykonuje się dożylny kontrast gadolinem paramagnetycznym.

Funkcjonalny MRI rejestruje aktywność poszczególnych obszarów kory mózgowej z uwzględnieniem magnetycznego działania hemoglobiny. Po uwolnieniu cząsteczek tlenu do tkanek substancja staje się paramagnetyczna, której częstotliwość radiowa jest wychwytywana przez czujniki urządzenia. Im intensywniejszy dopływ krwi do miąższu mózgu, tym lepszy sygnał.

Namagnesowanie tkanek jest dodatkowo wzmacniane przez utlenianie glukozy. Substancja jest niezbędna do zapewnienia procesów oddychania tkankowego neuronów. Zmiany indukcji magnetycznej rejestrowane są przez czujniki urządzenia i przetwarzane przez aplikację. Urządzenia o dużym polu tworzą rozdzielczość wysokiej jakości. Tomogram pokazuje szczegółowy obraz części o średnicy do 0,5 mm.

W funkcjonalnych badaniach MRI rejestrowane są sygnały nie tylko ze zwojów podstawy mózgu, kory obręczy i wzgórza, ale także z nowotworów złośliwych. Nowotwory mają własną sieć naczyniową, przez którą do formacji dostają się glukoza i hemoglobina. Śledzenie sygnału umożliwia badanie konturów, średnicy i głębokości penetracji guza do istoty białej lub szarej.

Diagnostyka funkcjonalna MRI mózgu wymaga kwalifikacji lekarza radiologa. Różne strefy kory charakteryzują się różnym mikrokrążeniem. Nasycenie hemoglobiną i glukozą wpływa na jakość sygnału. Należy wziąć pod uwagę strukturę cząsteczki tlenu i obecność alternatywnych atomów zastępczych.

Silne pole magnetyczne zwiększa okres półtrwania tlenu. Efekt działa, gdy moc urządzenia jest większa niż 1,5 Tesli. Słabsze instalacje nie mogą nie badać czynności funkcjonalnej mózgu.

Lepiej jest określić intensywność metaboliczną dopływu krwi do guza za pomocą sprzętu o wysokim polu o mocy 3 Tesli. Wysoka rozdzielczość pozwoli na zarejestrowanie niewielkiej zmiany.

Skuteczność sygnału naukowo nazywa się „reakcją hemodynamiczną”. Termin ten używany jest do opisania szybkości procesów neuronowych w odstępie 1-2 sekund. Dopływ krwi do tkanek nie zawsze jest wystarczający do badań funkcjonalnych. Jakość wyniku poprawia dodatkowe podanie glukozy. Po stymulacji szczytowe nasycenie następuje po 5 sekundach, gdy przeprowadzane jest skanowanie.

Cechy techniczne funkcjonalnego badania MRI mózgu

Diagnostyka funkcjonalna MRI opiera się na wzroście aktywności neuronów po pobudzeniu aktywności mózgu przez osobę wykonującą określone zadanie. Bodziec zewnętrzny powoduje pobudzenie aktywności sensorycznej lub motorycznej określonego ośrodka.

Aby śledzić obszar, włącza się tryb echa gradientowego w oparciu o sekwencję pulsacyjnego echa-planarnego.

Analiza sygnału aktywnej strefy w badaniu MRI odbywa się szybko. Rejestracja jednego tomogramu odbywa się w odstępie 100 ms. Diagnostykę przeprowadza się po stymulacji oraz w okresie spoczynku. Oprogramowanie wykorzystuje tomogramy do obliczenia ognisk aktywności neuronalnej, nakładając obszary wzmocnionego sygnału na trójwymiarowy model mózgu w spoczynku.

Lekarzom prowadzącym ten typ rezonansu magnetycznego dostarcza informacji o procesach patofizjologicznych, których nie można śledzić innymi metodami diagnostycznymi. Badanie funkcji poznawczych jest niezbędne neuropsychologom do różnicowania chorób psychicznych i psychicznych. Badanie pozwala na weryfikację ognisk padaczkowych.

Ostateczna mapa mapująca nie tylko pokazuje obszary wzmożonej stymulacji funkcjonalnej. Obrazy wizualizują strefy sensomotorycznej i słuchowej aktywności mowy wokół ogniska patologicznego.

Mapowanie lokalizacji kanałów mózgowych nazywa się traktografią. Funkcjonalne znaczenie lokalizacji przewodu piramidowego wzrokowego przed zaplanowaniem interwencji chirurgicznej pozwala neurochirurgom na prawidłowe zaplanowanie lokalizacji nacięć.

Co pokazuje fMRI?

MRI wysokiego pola z testami funkcjonalnymi jest przepisywany zgodnie ze wskazaniami, gdy konieczne jest zbadanie patofizjologicznych podstaw funkcjonowania obszarów ruchowych, czuciowych, wzrokowych i słuchowych kory mózgowej. Neuropsycholodzy korzystają z badań u pacjentów z zaburzeniami mowy, uwagi, pamięci i funkcji poznawczych.

Za pomocą fMRI na początkowym etapie wykrywa się wiele chorób - chorobę Alzheimera, chorobę Parkinsona, demielinizację w stwardnieniu rozsianym.

Diagnostyka funkcjonalna w różnych ośrodkach medycznych odbywa się przy użyciu różnych instalacji. Diagnosta wie, co pokazuje rezonans magnetyczny mózgu. Przed badaniem wymagana jest konsultacja ze specjalistą.

Wyniki wysokiej jakości uzyskuje się skanując silnym polem magnetycznym. Przed wybraniem placówki medycznej zalecamy sprawdzenie rodzaju zainstalowanego urządzenia. Ważne są kwalifikacje specjalisty, który musi posiadać wiedzę na temat funkcjonalnych, strukturalnych elementów mózgu.

Przyszłość funkcjonalnej diagnostyki MRI w medycynie

Badania funkcjonalne zostały niedawno wprowadzone do medycyny praktycznej. Możliwości metody nie są dostatecznie wykorzystywane.

Naukowcy opracowują techniki wizualizacji snów i czytania w myślach za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Proponuje się wykorzystanie tomografii do opracowania metody komunikacji z osobami sparaliżowanymi.

• Pobudliwość neuronalna;
• Aktywność psychiczna;
• Stopień nasycenia kory mózgowej tlenem i glukozą;
• Ilość odtlenionej hemoglobiny w naczyniach włosowatych;
• Obszary ekspansji przepływu krwi;
• Poziom oksyhemoglobiny w naczyniach krwionośnych.

Zalety badania:

1. Wysokiej jakości zdjęcie tymczasowe;
2. Rozdzielczość przestrzenna wyższa niż 3 mm;
3. Możliwość badania mózgu przed i po stymulacji;
4. Nieszkodliwość (w porównaniu z PET);
5. Brak inwazyjności.

Powszechne stosowanie funkcjonalnego MRI mózgu jest ograniczone wysokim kosztem sprzętu, pojedynczym badaniem, brakiem możliwości bezpośredniego pomiaru aktywności neuronalnej i nie można go wykonać u pacjentów z wtrąceniami metalicznymi w organizmie (zaciski naczyniowe, implanty ucha).

Rejestracja czynnościowego metabolizmu kory mózgowej ma dużą wartość diagnostyczną, nie jest jednak dokładnym wskaźnikiem dynamicznej oceny zmian w mózgu w trakcie leczenia, po operacji.

Rezonans magnetyczny (MRI) to metoda uzyskiwania tomograficznych obrazów medycznych do nieinwazyjnego badania narządów wewnętrznych i tkanek, oparta na zjawisku jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR). Technologia pojawiła się kilkadziesiąt lat temu, a dziś można poddać się badaniu za pomocą takiego urządzenia w wielu nowoczesnych klinikach. Jednakże naukowcy w dalszym ciągu pracują nad poprawą dokładności technologii i opracowaniem nowych, bardziej wydajnych systemów. , starszy pracownik naukowy w Instytucie Maxa Plancka w Tybindze (Niemcy), jest jednym z czołowych specjalistów opracowujących nowe czujniki do eksperymentalnego rezonansu magnetycznego o ultrawysokim polu. Dzień wcześniej przeprowadził specjalny kurs w programie magisterskim „ Systemy i urządzenia RF» ITMO University, a w rozmowie z ITMO.NEWS opowiedział o swojej pracy i o tym, jak nowe badania w zakresie MRI pomogą zwiększyć skuteczność diagnozowania chorób.

Od kilku lat pracuje Pan w Zakładzie Wielkiego Rezonansu Magnetycznego Instytutu Maxa Plancka. Proszę powiedzieć, na czym skupiają się Pana obecne badania?

Opracowuję nowe czujniki o częstotliwości radiowej (RF) do rezonansu magnetycznego. Czym jest MRI, jest prawdopodobnie teraz znane większości ludzi, ponieważ w ciągu ostatnich 40 lat, odkąd opracowano tę technologię, udało jej się dotrzeć do ogromnej liczby klinik i stać się niezbędnym narzędziem diagnostycznym. Jednak nawet dzisiaj ludzie pracują nad udoskonaleniem tej technologii poprzez opracowanie nowych systemów MRI.

MRI to przede wszystkim ogromny cylindryczny magnes, w którym umieszcza się pacjenta lub ochotnika w celu uzyskania trójwymiarowego obrazu. Zanim jednak powstanie taki obraz, należy przeprowadzić ogromną ilość badań. Kierują nim inżynierowie, fizycy, lekarze i inni specjaliści. Jestem jednym z ogniw tego łańcucha i zajmuję się badaniami na styku fizyki i inżynierii. Mówiąc dokładniej, opracowujemy czujniki do eksperymentalnego MRI o ultrawysokim polu, które wykorzystuje się na etapie wzbudzenia, odbioru i przetwarzania sygnału uzyskanego w wyniku fizycznego działania NMR.

Jednym z głównych kierunków jest rozwój nowych eksperymentalnych systemów MRI o ultrawysokim polu, czyli wykorzystującym wyższe stałe pole magnetyczne, co pozwala na poprawę rozdzielczości obrazu lub skrócenie czasu skanowania, co jest bardzo ważne w wielu badaniach klinicznych i diagnostyce.

Konwencjonalne tomografy kliniczne wykorzystują stałe pola do 3 T, ale obecnie pojawiają się tomografy eksperymentalne z polami magnetycznymi 7 T i wyższymi. Zwyczajowo nazywa się tomografy o polu magnetycznym 7 T i wyższym ultrawysokim polu. Na świecie istnieje już około stu tomografów o polu 7 T, ale trwają prace nad dalszym zwiększeniem pola magnetycznego. Na przykład w Instytucie Maxa Plancka w Tybindze posiadamy aparat do rezonansu magnetycznego 9,4 T.

Ale nawet przy przejściu z 7 na 9,4 T pojawia się wiele problemów technicznych, które wymagają poważnych osiągnięć naukowych i technicznych, w tym obliczeń i projektowania czujników dla nowej generacji MRI.

Jakie są te trudności?

Wzrost stałego pola magnetycznego powoduje odpowiedni wzrost częstotliwości czujników RF. Na przykład tomografy kliniczne 3 T wykorzystują czujniki o częstotliwości rezonansowej około 120 MHz, podczas gdy tomograf 7 T wymaga czujników o częstotliwości 300 MHz. Prowadzi to przede wszystkim do skrócenia długości fali pola RF w tkance ludzkiej. Jeśli częstotliwość 120 MHz odpowiada w przybliżeniu długości fali 35-40 centymetrów, to przy częstotliwości 300 MHz maleje do wartości około 15 cm, czyli znacznie mniejszej niż rozmiar ludzkiego ciała.

W wyniku tego efektu czułość czujników RF może być znacznie zniekształcona podczas badania dużych obiektów (dłuższych niż długość fali). Prowadzi to do trudności w interpretacji obrazów oraz diagnozowaniu chorób i patologii klinicznych. W polu 9,4 T, co odpowiada częstotliwości czujnika 400 MHz, wszystkie te problemy stają się jeszcze bardziej krytyczne.

Czyli takie zdjęcia stają się praktycznie nieczytelne?

Nie powiedziałbym tego. Mówiąc dokładniej, w niektórych przypadkach utrudnia to ich interpretację. Istnieją jednak grupy opracowujące techniki uzyskiwania obrazów MR całego ciała ludzkiego. Zadania naszej grupy skupiają się jednak przede wszystkim na badaniach mózgu.

Jakie dokładnie możliwości dla medycyny otwierają badania w dziedzinie MRI o ultrawysokim polu?

Jak wiadomo, podczas MRI osoba musi leżeć nieruchomo: jeśli zaczniesz się poruszać podczas pomiarów, obraz okaże się zniekształcony. Jednocześnie wykonanie niektórych technik rezonansu magnetycznego może zająć nawet godzinę i jasne jest, że przez cały ten czas trudno jest się nie ruszać. Zwiększona czułość tomografów ultrawysokiego pola umożliwia uzyskanie obrazów nie tylko w wyższej rozdzielczości, ale także znacznie szybciej. Jest to szczególnie ważne podczas badania dzieci i pacjentów w podeszłym wieku.

Nie sposób też nie wspomnieć o możliwościach spektroskopii rezonansu magnetycznego ( MRS, metoda pozwalająca określić zmiany biochemiczne w tkankach w różnych chorobach na podstawie stężenia określonych metabolitów - notatka redaktora ).

W MRI głównym źródłem sygnału są atomy wodoru w cząsteczkach wody. Ale poza tym w innych cząsteczkach znajdują się inne atomy wodoru, które są ważne dla funkcjonowania ludzkiego organizmu. Przykłady obejmują różne metabolity, neuroprzekaźniki itp. Pomiar rozmieszczenia przestrzennego tych substancji za pomocą MRS może dostarczyć przydatnych informacji do badania patologii związanych z zaburzeniami metabolicznymi w organizmie człowieka. Często czułość tomografów klinicznych jest niewystarczająca do ich badania ze względu na ich niskie stężenie i w konsekwencji niższy sygnał.

Oprócz tego możliwa jest obserwacja sygnału NMR nie tylko z atomów wodoru, ale także z innych atomów magnetycznych, które również są bardzo ważne w diagnozowaniu chorób i badaniach medycznych. Jednak po pierwsze ich sygnał NMR jest znacznie słabszy ze względu na niższy współczynnik żyromagnetyczny, a po drugie ich naturalna zawartość w organizmie człowieka jest znacznie mniejsza niż atomów wodoru. Zwiększona czułość MRI o bardzo wysokim polu jest niezwykle ważna dla MRS.

Innym ważnym obszarem technik MRI, dla którego zwiększona czułość ma kluczowe znaczenie, jest funkcjonalny MRI, ważna technika w badaniach poznawczych ludzkiego mózgu.

Jak dotąd zdecydowana większość klinik na świecie nie posiada tomografów wysokiego pola. Jakie są perspektywy, że tomografy 7T, a później 9T będą mogły znaleźć zastosowanie w rutynowej diagnostyce?

Aby tomograf trafił do kliniki musi zostać certyfikowany, sprawdzony pod kątem bezpieczeństwa i sporządzony stosowną dokumentacją. Jest to dość skomplikowana i długotrwała procedura. Jak dotąd tylko jedna firma na świecie rozpoczęła certyfikację nie tylko produkowanych przez nas czujników, ale także samego urządzenia. To jest Siemens.

Tomografów T jest 7, ale jest ich niewiele i nie można ich jeszcze nazwać całkowicie klinicznymi. To, co nazwałem, to opcja przedkliniczna, ale to urządzenie ma już certyfikat, czyli może potencjalnie być stosowane w klinikach.

Jeszcze trudniej jest przewidzieć, kiedy tomografy 9,4 T pojawią się w klinikach. Głównym problemem jest tutaj możliwe miejscowe nagrzewanie tkanki przez pole RF czujnika na skutek silnego zmniejszenia długości fali. Jednym z ważnych obszarów badań inżynieryjnych nad MRI o ultrawysokim polu jest szczegółowe modelowanie numeryczne tego efektu w celu zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta. Pomimo tego, że badania tego typu prowadzone są w instytucjach naukowych, przejście do praktyki klinicznej wymaga dodatkowych badań.

Jak obecnie rozwija się współpraca pomiędzy Instytutem Maxa Plancka a Uniwersytetem ITMO? Jakie wspólne rezultaty już osiągnęliście?

Prace postępują bardzo dobrze. Teraz pracuje z nami, jest absolwentem Uniwersytetu ITMO. Niedawno opublikowaliśmy artykuł w wiodącym czasopiśmie na temat rozwoju technicznego w MRI. W tej pracy eksperymentalnie zweryfikowaliśmy wcześniejsze badania teoretyczne mające na celu poprawę czułości czujników RF o ultrawysokim polu poprzez zastosowanie zmodyfikowanych i zoptymalizowanych anten dipolowych. Efekt tej pracy okazał się moim zdaniem bardzo obiecujący.

Teraz pracujemy także nad kilkoma kolejnymi artykułami poświęconymi zastosowaniu podobnych metod, ale do innych zadań. Niedawno Georgy otrzymał stypendium na wyjazd do Niemiec. W przyszłym miesiącu przyjedzie do nas na pół roku i będziemy kontynuować wspólną pracę nad dalszym rozwojem czujników do MRI.

W tym tygodniu przeprowadziłeś specjalny kurs w ramach programu magisterskiego „Systemy i urządzenia o częstotliwości radiowej”. Jakie są główne tematy, które poruszałeś?

Kurs obejmuje różne techniczne aspekty opracowywania czujników MRI. Jest wiele zawiłości, które trzeba poznać w tej dziedzinie, dlatego przedstawiłem szereg podstawowych technik, które są wykorzystywane do projektowania i produkcji tych czujników. Dodatkowo wygłosiłem wykład na temat moich najnowszych osiągnięć. Łącznie kurs obejmuje osiem wykładów po dwie godziny akademickie, które są zaplanowane na cztery dni. Na końcu znajduje się również demonstracja, która pomaga lepiej wyjaśnić te techniki.

Studenci studiów magisterskich są obecnie na etapie wyboru przyszłego kierunku studiów, więc myślę, że ten kurs dostarczy im dodatkowych informacji pozwalających ocenić ich perspektywy.

A jeśli mówimy ogólnie o edukacji w zakresie technologii MRI, to jakiej wiedzy i umiejętności, Pana zdaniem, wymaga się dziś przede wszystkim od takich specjalistów?

Pomimo tego, że nasza dziedzina stała się obecnie bardzo popularna i obiecująca do zastosowania w diagnostyce klinicznej, obecnie nie ma kursów inżynierskich, które kształciłyby wysoko wyspecjalizowanych specjalistów zajmujących się produkcją cewek MRI. Powstała luka. I myślę, że razem możemy to po prostu wypełnić.

Elena Menshikova

Redakcja portalu informacyjnego