Funkcjonalny rezonans magnetyczny. Nikolai Avdievich - o nowych urządzeniach MRI i ich możliwościach Funkcjonalny rezonans magnetyczny mózgu

TECHNOLOGIE

E.I. Kremneva, R.N. Konowałow, M.V. Krotenkova

Naukowe Centrum Neurologii Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych (Moskwa)

Od lat 90. W 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 neuronów (efekt BOLD). Dla powodzenia eksperymentu fMRI konieczne jest: dostępność odpowiedniego wsparcia technicznego (tomografia MRI wysokiego pola, specjalny sprzęt do wykonywania zadań), opracowanie optymalnego projektu badania oraz post-processing uzyskanych danych . Obecnie technika ta wykorzystywana jest nie tylko do celów naukowych, ale również w medycynie praktycznej. Należy jednak zawsze pamiętać o pewnych ograniczeniach i przeciwwskazaniach, zwłaszcza przy wykonywaniu fMRI u pacjentów z różnymi patologiami. Do prawidłowego zaplanowania badania i interpretacji jego wyników niezbędne jest zaangażowanie różnych specjalistów: neuroradiologów, biofizyków, neurologów, psychologów, ponieważ fMRI jest techniką multidyscyplinarną.

Słowa kluczowe: fMRI, kontrast BOLD, projekt badania, post-processing

Od wieków naukowcy i lekarze interesowali się tym, jak funkcjonuje ludzki mózg. Wraz z rozwojem postępu naukowego i technologicznego możliwe stało się podniesienie zasłony tej tajemnicy. Szczególnie cenne stało się wynalezienie i wprowadzenie do praktyki klinicznej takiej nieinwazyjnej metody, jaką jest obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI). MRI jest metodą stosunkowo młodą: pierwszy komercyjny tomograf 1,5 T zaczął działać dopiero w 1982 roku. Jednak do 1990 roku ciągłe doskonalenie techniczne metody umożliwiło jej wykorzystanie nie tylko do badania cech strukturalnych mózgu, ale także do przestudiować jego działanie. W tym artykule skupimy się na technice pozwalającej na mapowanie różnych obszarów funkcjonalnych mózgu – funkcjonalnym rezonansie magnetycznym (fMRI).

Podstawowe zasady techniki fMRI_

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

fMRI nie pozwala zobaczyć aktywności elektrycznej neuronów bezpośrednio, ale robi to pośrednio, poprzez lokalną zmianę 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 powiązanych ze sobą reakcji zachodzących w neuronach, otaczającym je gleju (astrocytach) i śródbłonku ściany naczynia, ponieważ przy zwiększonej aktywności neurony potrzebują więcej tlenu i składników odżywczych dostarczanych wraz z krwią. Technika fMRI umożliwia bezpośrednią ocenę zmian hemodynamicznych.

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

nowoczesne funkcjonalne neuroobrazowanie i stanowiło podstawę większości badań fMRI. Kontrast BOLD (dosłownie – zależny od poziomu natlenienia krwi, zależny od poziomu natlenienia krwi) to różnica w sygnale MR na obrazach wykorzystujących sekwencje gradientowe w zależności od procentowej zawartości dezoksyhemoglobiny. Deoksyhemoglobina ma inne właściwości magnetyczne niż otaczające tkanki, co podczas skanowania prowadzi do miejscowego zaburzenia pola magnetycznego i spadku sygnału w sekwencji „echa gradientu”. Wraz ze wzrostem przepływu krwi w odpowiedzi na aktywację neuronów dezoksyhemoglobina jest wypłukiwana z tkanek i zastępowana przez natlenioną krew, która ma właściwości magnetyczne podobne do otaczających tkanek. Wtedy zakłócenie pola maleje i sygnał nie jest tłumiony – i widzimy 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 miejscowego zwiększenia przepływu krwi, co jest rejestrowane podczas fMRI w postaci sygnału BOLD – iloczynu aktywności neuronalnej i odpowiedzi hemodynamicznej (ryc. 1B).

Ryż. 1: A - schematyczna ilustracja kontrastu VOS w eksperymencie Odaha ze zmianą procentowej zawartości tlenu we krwi szczurów; podczas wdychania zwykłego powietrza (21% tlenu) w korze (w górnej części ryciny) stwierdza się obszary spadku sygnału odpowiadające naczyniom o podwyższonej zawartości dezoksyhemoglobiny; podczas wdychania czystego tlenu odnotowuje się jednorodny sygnał MR z kory mózgowej (na dole rysunku); B - ogólny schemat tworzenia sygnału VOS

Planowanie eksperymentu

Do przeprowadzenia badania fMRI niezbędne jest posiadanie tomografu MRI wysokiego pola (wartość indukcji pola magnetycznego wynosi 1,5 T i więcej), różnego sprzętu do wykonywania zadań podczas skanowania (słuchawki, okulary wideo, projektor, różne piloty i joysticki w celu uzyskania informacji zwrotnych 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 zamocowanych nad głową ma dostęp do obrazów wyświetlanych na ekranie za pośrednictwem projektora wideo. W celu uzyskania informacji zwrotnej (jeśli jest to przewidziane w zadaniu) pacjent naciska przycisk na pilocie. Dostarczanie bodźców i sterowanie zadaniem odbywa się za pomocą konsoli znajdującej się w dyspozytorni.

Zadania, które wykonuje podmiot, mogą być różne: wizualne, poznawcze, motoryczne, mowy itp., W zależności od wyznaczonych celów. Istnieją dwa główne typy prezentacji bodźców w zadaniu: w postaci bloków – układ blokowy, oraz w postaci oddzielnych, odmiennych bodźców – układ dyskretny (ryc. 3). Możliwe jest również połączenie obu tych opcji - projekt mieszany.

Najszerzej stosowana, zwłaszcza w zadaniach ruchowych, jest konstrukcja blokowa, w której te same bodźce są gromadzone w blokach naprzemiennie. Przykładem jest zadanie polegające na ściskaniu gumowej piłki (każde ściśnięcie jest osobnym bodźcem) przez określony czas (średnio 20–30 s), naprzemiennie z okresami odpoczynku o takim samym czasie trwania. Ten projekt ma największą moc statystyczną, ponieważ poszczególne sygnały BOLD są sumowane. Jest jednak z reguły przewidywalny dla pacjentów i nie pozwala na ocenę odpowiedzi na pojedynczy bodziec, a zatem nie nadaje się do niektórych zadań, w szczególności poznawczych.

Ryż. 2: Schemat eksperymentu fMRI (na podstawie http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, ze zmianami)

Toporny

Dyskretny (związany z wydarzeniem)

A 11 i A D1 iil iiit U I I,

Ryż. 3: Główne typy projektów badań fMRI

Funkcjonalny rezonans magnetyczny

W tym celu istnieje dyskretny projekt, w którym bodźce są podawane w sposób chaotyczny w różnych odstępach czasu. Na przykład osobie z arachnofobią prezentowane są neutralne obrazy (kwiaty, budynki itp.), wśród których od czasu do czasu pojawiają się obrazy pająka, co umożliwia ocenę aktywacji mózgu w odpowiedzi na nieprzyjemne bodźce. W przypadku konstrukcji blokowej byłoby to trudne: po pierwsze, podmiot wie, kiedy pojawi się blok i już wcześniej się do niego przygotowuje, a po drugie, jeśli ten sam bodziec jest prezentowany przez długi czas, reakcja na niego staje się nudna. Jest to dyskretny projekt, który może być wykorzystany w fMRI jako wykrywacz kłamstw lub w badaniach marketingowych, kiedy ochotnikom pokazuje się różne opcje produktu (jego opakowanie, kształty, kolory) i obserwuje się ich nieświadomą reakcję.

Wybraliśmy więc projekt zadania, zeskanowaliśmy go. Co otrzymujemy w rezultacie? Po pierwsze, jest to seria 4D danych funkcjonalnych w sekwencji „echa gradientu”, czyli wielokrotne powtarzane skany całej objętości substancji mózgowej podczas zadania. Po drugie, objętość danych anatomicznych 3D 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 końcowe_

Zmiany sygnału MR w obszarach aktywacji mózgu w różnych warunkach wynoszą zaledwie 3-5%, są one nieuchwytne dla ludzkiego oka. Dlatego w dalszej kolejności uzyskane dane funkcjonalne poddaje się analizie statystycznej: konstruuje się krzywą zależności natężenia sygnału MR od czasu dla każdego woksela obrazu w różnych stanach - eksperymentalnym (podaż bodźca) i kontrolnym. W efekcie otrzymujemy statystyczną mapę aktywacji połączoną z danymi anatomicznymi.

Jednak przed bezpośrednim przeprowadzeniem takiej analizy konieczne jest przygotowanie „surowych” danych uzyskanych na końcu skanu i zmniejszenie zmienności wyników niezwiązanej z zadaniem eksperymentalnym. Algorytm przygotowania jest procesem wieloetapowym i jest bardzo ważny dla zrozumienia ewentualnych niepowodzeń i błędów w interpretacji wyników. Obecnie istnieją różne programy

Ř -.V w<# %>

40 4"r h® F W

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

Oprogramowanie do wstępnej obróbki uzyskanych danych, produkowane zarówno przez producentów tomografów 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 badanego. Podczas wykonywania zadań jest to nieuniknione, pomimo stosowania różnych urządzeń do mocowania głowy (maski, zaciski na cewce nagłownej itp.). Nawet minimalny ruch może prowadzić do wyraźnej sztucznej zmiany natężenia sygnału MR pomiędzy kolejnymi objętościami danych, zwłaszcza jeśli ruch głowy związany jest z wykonywaniem zadania eksperymentalnego. W tym przypadku trudno odróżnić „prawdziwą” aktywację BOLD od „sztucznej”, która powstaje w wyniku ruchu podmiotu (ryc. 5).

Ogólnie przyjmuje się nie więcej niż 1 mm jako optymalne przesunięcie głowy. W tym przypadku przemieszczenie prostopadłe do płaszczyzny skanowania (kierunek „głowa-nogi”) jest znacznie gorsze dla poprawnej obróbki statystycznej wyników niż przemieszczenie w płaszczyźnie skanowania. Na tym etapie wykorzystywany jest algorytm transformacji ciała sztywnego - transformacja przestrzenna, w której zmienia się tylko położenie i orientacja obiektu, a jego rozmiar lub kształt jest stały. W praktyce przetwarzanie wygląda następująco: wybiera się referencyjną (zwykle pierwszą) objętość funkcjonalną obrazów, a wszystkie kolejne objętości funkcjonalne łączy się z nią matematycznie, podobnie jak układamy arkusze papieru w stosie.

2. Współrejestracja danych czynnościowych i anatomicznych.

Różnice w położeniu głowy fotografowanej osoby są zminimalizowane. Prowadzone jest również komputerowe przetwarzanie i porównywanie danych anatomicznych o wysokiej rozdzielczości i danych funkcjonalnych o bardzo niskiej rozdzielczości, w celu późniejszej lokalizacji stref aktywacji.

Ryż. 5: Przykład przemieszczenia głowy pacjenta podczas skanowania podczas wykonywania paradygmatu motorycznego. W górnej części ryciny znajduje się wykres ruchu głowy badanego w trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach: środkowa krzywa odzwierciedla przemieszczenie pacjenta wzdłuż osi z (kierunek „głowa-nogi”) i wyraźnie odchyla się w początku ruchu i na jego końcu. W dolnej części mapy statystyczne aktywacji tego samego podmiotu bez korekty ruchu. Typowe artefakty z ruchu są określane w postaci półokręgów wzdłuż krawędzi substancji mózgowej

Ponadto zminimalizowane są różnice związane z różnymi trybami skanowania (zwykle dla danych funkcjonalnych jest to tryb „echa gradientu”, 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 rozmiar ludzkiego mózgu znacznie się 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 są przekształcane - rozciąganie, kompresja, rozciąganie i tak dalej. - z późniejszą redukcją danych strukturalnych do jednego przestrzennego układu współrzędnych.

Obecnie w fMRI najczęściej spotykane są dwa układy współrzędnych przestrzennych: układ Taleras oraz system Montreal Neurological Institute. Pierwszy został opracowany przez francuskiego neurochirurga Jeana Talairacha w 1988 roku na podstawie pośmiertnych pomiarów mózgu 60-letniej Francuzki. Następnie podano współrzędne wszystkich obszarów anatomicznych mózgu względem linii odniesienia łączącej spoidła przednią i tylną. W tej stereotaktycznej przestrzeni można umieścić dowolny mózg, a obszary zainteresowania można opisać za pomocą trójwymiarowego układu współrzędnych (x, y, z). Wadą takiego systemu są dane tylko dla jednego mózgu. Dlatego bardziej popularnym systemem jest ten opracowany w Montreal Neurological Institute (MNI) w oparciu o całkowite obliczenie danych obrazowych T1 uzyskanych od 152 Kanadyjczyków.

Chociaż oba układy są odnoszone od linii łączącej spoidła przednią i tylną, współrzędne tych układów nie są identyczne, zwłaszcza gdy zbliżają 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 jest wykorzystywany do przedoperacyjnego mapowania stref aktywacji funkcjonalnej w neurochirurgii, ponieważ 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 tym samym ich strefy aktywacji, nie odpowiadają sobie w 100%. W celu uzyskania przestrzennego nakładania się podobnych stref aktywacji w grupie badanych, poprawy stosunku sygnału do szumu, a tym samym zwiększenia wiarygodności danych, stosuje się funkcję wygładzania Gaussa. Istotą tego etapu przetwarzania jest „rozmycie” stref aktywacji każdego podmiotu, w wyniku czego w analizie grupowej zwiększają się obszary ich nakładania się. Wadą jest 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

ustawiony poziom woksela na poziomie klastra bez dostosowania lsotroplc

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

^ połączone "E ^ nieskorygowane PFWE-con ^ FDR-con T (Y ^ niepołączone

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. 6: Przykład prezentacji wyników postprocessingu statystycznego. Po lewej strefy aktywacji podczas wykonywania paradygmatu motorycznego (podnoszenie – opuszczanie palca wskazującego prawej), połączone z rekonstrukcją wolumetryczną mózgu. Po prawej - statystyki dla każdej strefy aktywacji

być przedstawione w formacie cyfrowym ze wskazaniem istotności statystycznej strefy aktywacji, jej objętości i współrzędnych w przestrzeni stereotaktycznej (ryc. 6).

aplikacja fMRI_

Kiedy wykonuje się fMRI? Po pierwsze, w celach czysto naukowych: jest to badanie normalnego mózgu i jego funkcjonalnej asymetrii. Ta technika ożywiła zainteresowanie naukowców mapowaniem funkcji mózgu: bez uciekania się do inwazyjnych interwencji można zobaczyć, które obszary mózgu są odpowiedzialne za określony proces. Być może największego przełomu dokonano w zrozumieniu wyższych procesów poznawczych, w tym uwagi, pamięci i funkcji wykonawczych. Takie badania umożliwiły wykorzystanie fMRI do celów praktycznych, dalekich od medycyny i neuronauki (jako wykrywacz kłamstw, w badaniach marketingowych itp.).

Ponadto fMRI jest aktywnie wykorzystywany w medycynie praktycznej. Obecnie technika ta jest szeroko stosowana w praktyce klinicznej do przedoperacyjnego mapowania głównych funkcji (motorycznych, mowy) przed interwencjami neurochirurgicznymi guzów mózgu lub nieuleczalnej padaczki. W USA istnieje nawet oficjalny dokument - praktyczny przewodnik opracowany przez American College of Radiology i American Society for Neuroradiology, który szczegółowo opisuje całą procedurę.

Naukowcy próbują również wprowadzić fMRI do rutynowej praktyki klinicznej w różnych chorobach neurologicznych i psychiatrycznych. Głównym celem wielu prac w tej dziedzinie jest ocena zmian w funkcjonowaniu mózgu w odpowiedzi na uszkodzenie jednego lub drugiego z jego obszarów - utrata i (lub) zmiana stref, ich przemieszczenie itp., a także dynamika obserwacja restrukturyzacji stref aktywacji w odpowiedzi na trwającą farmakoterapię, terapię i/lub działania rehabilitacyjne.

Ostatecznie badania fMRI przeprowadzone na pacjentach różnych kategorii mogą pomóc w określeniu wartości prognostycznej różnych wariantów funkcjonalnej rearanżacji kory dla przywrócenia zaburzonych funkcji i opracowania optymalnych algorytmów leczenia.

Możliwe niepowodzenia w nauce_

Planując fMRI należy zawsze pamiętać o różnych przeciwwskazaniach, ograniczeniach i możliwościach

źródeł błędów w interpretacji danych uzyskanych zarówno od zdrowych ochotników, jak i pacjentów.

Obejmują one:

Wszelkie czynniki wpływające na interakcję nerwowo-naczyniową i hemodynamikę, aw rezultacie kontrast BOLD; dlatego zawsze należy brać pod uwagę możliwe zmiany w przepływie krwi w mózgu, na przykład z powodu okluzji lub ciężkich zwężeń głównych tętnic głowy i szyi, przyjmowania leków wazoaktywnych; znane są również fakty osłabienia lub nawet odwrócenia odpowiedzi BOLD u niektórych pacjentów z glejakami złośliwymi z powodu upośledzonej autoregulacji;

Obecność przeciwwskazań u pacjenta, wspólnych dla każdego badania MRI (rozruszniki serca, klaustrofobia itp.);

Metalowe konstrukcje w okolicy twarzy (mózgu) części czaszki (nieusuwalne protezy, klipsy, płytki itp.), dające wyraźne artefakty w trybie „echa gradientu”;

Brak (trudność) współpracy badanego w trakcie wykonywania zadania, związany zarówno z jego stanem poznawczym, jak i pogorszeniem wzroku, słuchu itp., a także z brakiem motywacji i należytego skupienia się na zadaniu;

Wyrażony 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 w badaniu grupy osób lub tego samego podmiotu pod względem dynamiki, aby móc porównać powstałe strefy aktywacji; zadania powinny być powtarzalne, to znaczy takie same przez cały okres badania i dostępne do wykonania dla wszystkich badanych; jednym z możliwych rozwiązań dla pacjentów, którzy nie są w stanie samodzielnie wykonywać czynności związanych z ruchem, jest zastosowanie paradygmatów biernych z wykorzystaniem różnych urządzeń do poruszania kończynami;

Zły dobór parametrów skanowania (czas echa - TE, czas powtórzenia - TR);

Nieprawidłowo ustawione parametry post-processingu danych na różnych etapach;

Błędna interpretacja uzyskanych danych statystycznych, nieprawidłowe odwzorowanie stref aktywacji.

Wniosek

Pomimo powyższych ograniczeń fMRI jest ważną i wszechstronną nowoczesną techniką neuroobrazowania, która łączy zalety wysokiej rozdzielczości przestrzennej i nieinwazyjności z brakiem konieczności podawania dożylnych środków kontrastowych.

wzmocnienie i ekspozycja na promieniowanie. Technika ta jest jednak bardzo skomplikowana, a pomyślne wykonanie zadań stawianych badaczowi pracującemu z fMRI wymaga podejścia multidyscyplinarnego – obejmującego nie tylko neuroradiologów, ale także biofizyków, neurofizjologów, psychologów, logopedów, praktyków klinicznych i matematyków w badania. Tylko w tym przypadku możliwe jest wykorzystanie pełnego potencjału fMRI i uzyskanie naprawdę wyjątkowych wyników.

Bibliografia

1. Ashburner J., Friston K. Multimodalna współrejestracja i partycjonowanie obrazu - 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 CM, HouBL, Holodny A.I. Wpływ wieku i stopnia zaawansowania nowotworu na czynnościowe obrazowanie metodą BOLD MR w przedoperacyjnej ocenie pacjentów z glejakiem. Radiologia 2008; 3:971-978.

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

5. Friston KJ, Williams S., Howard R. i in. Efekty związane z ruchem w szeregach czasowych fMRI. Magn. Rezon. Med. 1996; 35:346-355.

6. Glover, GH, Lai S. Samodzielna nawigacja spiralna fMRI: przeplatana a jednostrzałowa. Magn. Rezon. Med. 1998; 39:361-368.

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

8. Hsu YY, Chang CN, Jung SM i in. MRI glejaków mózgu zależny od poziomu natlenienia krwi podczas wstrzymywania oddechu. J. Magn. Obrazowanie rezonansowe 2004; 2:160-167.

9. Huettel SA, Song AW, McCarthy G. Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego. 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 symulacje obrazu. Magn. Rezon. Med. 1990; 16(1):9-18.

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

Oddział rezonansu magnetycznego kliniki NAKFF w Moskwie jest wyposażony w tomograf o wysokim polu Siemens MAGNETOM Aera z otwartym tunelem. Moc tomografu wynosi 1,5 Tesli. Sprzęt pozwala na badanie osób o wadze do 200 kg, szerokość tunelu (apertury) aparatu wynosi 70 cm mózg. Koszt diagnostyki jest przystępny, a wartość uzyskanych wyników niezwykle wysoka. W sumie wykonuje się ponad 35 rodzajów badań rezonansu magnetycznego.

Po diagnostyce MRI lekarz przeprowadza rozmowę z pacjentem i wydaje mu płytę z nagraniem. Wniosek wysyłany jest e-mailem.

Trening

Większość badań rezonansu magnetycznego nie wymaga specjalnego przeszkolenia. Jednak 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 pracowni rezonansu magnetycznego (w dniu badania) należy założyć wygodny strój bez elementów metalowych.

Przeciwwskazania

Przeciwwskazania do rezonansu magnetycznego wynikają z faktu, że podczas badania powstaje 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, pompy insulinowe.

Ograniczenia

Jeśli masz zainstalowane duże metalowe konstrukcje (np. endoprotezę stawu), potrzebny będzie dokument potwierdzający możliwość i bezpieczeństwo wykonania rezonansu magnetycznego. Może to być zaświadczenie o wszczepieniu implantu (zwykle wydawane po operacji) lub zaświadczenie od chirurga, który wykonał zabieg. Większość tych struktur jest wykonana z tytanu medycznego, który nie przeszkadza w zabiegu. Ale w każdym razie przed badaniem powiedz lekarzowi oddziału radiologii o obecności ciał obcych w ciele - koron w jamie ustnej, kolczykach, a nawet tatuażach (w tym ostatnim można użyć farb zawierających metale ).

Cena rezonansu magnetycznego zależy od badanej części ciała i konieczności wykonania dodatkowych zabiegów (np. wprowadzenie kontrastu). Tak więc MRI mózgu będzie kosztować więcej niż tomografia jednej ręki. Zarejestruj się na badanie przez telefon w Moskwie: +7 495 266-85-01 lub zostaw prośbę na stronie internetowej.

Dostarcza badaczowi wielu informacji o budowie anatomicznej narządu, tkanki lub innego obiektu, który wpada w pole widzenia. Aby jednak stworzyć pełny obraz zachodzących procesów, nie ma wystarczających danych na temat aktywności funkcjonalnej. A do tego właśnie służy funkcjonalny rezonans magnetyczny BOLD (BOLD - kontrast zależny od poziomu utlenienia krwi, czyli kontrast zależny od stopnia nasycenia krwi tlenem).

BOLD fMRI jest jedną z najczęściej stosowanych i powszechnie znanych metod określania aktywności mózgu. Aktywacja prowadzi do zwiększenia miejscowego przepływu krwi wraz ze zmianą względnego stężenia utlenionej (wzbogaconej w tlen) i odtlenionej (ubogiej w tlen) hemoglobiny w miejscowym przepływie krwi.

Ryc.1.Schemat reakcje mózgowy przepływ krwi w odpowiadać na pobudzenie neurony.

Odtleniona krew jest paramagnetykiem (substancją zdolną do namagnesowania) i prowadzi do spadku poziomu sygnału MRI. Jeśli w obszarze mózgu jest więcej utlenowanej krwi, poziom sygnału MRI wzrasta. Tak więc tlen we krwi działa jako endogenny środek kontrastowy.

Ryc.2.Tom mózgowy dopływ krwi (a) oraz POGRUBIENIE-odpowiadać fMRI (b) w aktywacja podstawowy silnik szczekaćczłowiek. Sygnał Karnety w 4 gradacja. 1 etap – spowodowany aktywacja neurony wznosi się konsumpcjatlen, wzrasta ilość odtleniony krew, POGRUBIENIE— sygnał trochę maleje (na wykresnie pokazane, zmniejszać nieistotny). Statki rozszerzający się, spowodowany Co kilka malejedopływ krwi mózgowy tekstylia. Etap 2 – przedłużony zwiększać sygnał. Potencjał działania neuronykończy się, ale pływ dotleniony krew wzrasta bezwładnie, Może spowodowany uderzenieBiochemiczne znaczniki niedotlenienie. Etap 3 – przedłużony spadek sygnał spowodowany normalizacjadopływ krwi. 4 etap – post-bodziec recesja – nazywa wolny przywrócenie Inicjałdopływ krwi.

Aby aktywować pracę neuronów w niektórych obszarach kory mózgowej, istnieją specjalne zadania aktywujące. Projektowanie zadań jest zazwyczaj dwojakiego rodzaju: „blokowe” i „zdarzeniowe”. Każdy typ zakłada obecność dwóch naprzemiennych faz – stanu aktywnego i spoczynku. W klinicznym fMRI częściej stosuje się zadania typu „blok”. Wykonując takie ćwiczenia, badany naprzemiennie wykonuje tzw. okresy ON- (stan aktywny) i OFF- (stan spoczynku) o takim samym lub nierównym czasie trwania. Na przykład podczas określania obszaru kory odpowiedzialnego za ruchy dłoni zadania polegają na naprzemiennych ruchach palców i okresach bezczynności, trwających średnio około 20 sekund. Kroki są powtarzane kilka razy, aby zwiększyć dokładność wyniku fMRI. W przypadku zadania „zdarzeniowego” osoba badana wykonuje jedną krótką czynność (np. niekonsekwentnie.

W praktyce BOLD fMRI znajduje zastosowanie w przedoperacyjnym planowaniu resekcji (usuwania) guzów, diagnostyce malformacji naczyniowych, operacjach ciężkich postaci padaczki i innych uszkodzeń mózgu. Podczas operacji mózgu ważne jest, aby usunąć zmianę tak dokładnie, jak to możliwe, unikając jednocześnie niepotrzebnego uszkodzenia sąsiednich, ważnych funkcjonalnie obszarów mózgu.

Ryc.3.

a – trójwymiarowy MRI— obraz głowa mózg. Strzałka wskazany Lokalizacja silnik szczekać wprzedcentralny zakręt.

b – mapa fMRI—działalność mózg w przedcentralny zakręt w ruch ręka.

Metoda jest bardzo skuteczna w badaniu chorób zwyrodnieniowych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona, zwłaszcza we wczesnych stadiach. Nie wiąże się z użyciem promieniowania jonizującego i środków radiocieniujących, ponadto jest nieinwazyjny. Dlatego można go uznać za całkiem bezpieczny dla pacjentów wymagających długotrwałych i regularnych badań fMRI. fMRI można wykorzystać do badania mechanizmów powstawania napadów padaczkowych i uniknąć usunięcia funkcjonalnej kory mózgowej u pacjentów z oporną na leczenie padaczką płata czołowego. Monitorowanie powrotu do zdrowia mózgu po udarze, badanie skutków działania leków lub innych terapii, monitorowanie i monitorowanie leczenia psychiatrycznego – to nie jest pełna lista możliwych zastosowań fMRI. Ponadto istnieje również spoczynkowy fMRI, w którym złożone przetwarzanie danych pozwala zobaczyć sieci mózgowe funkcjonujące w spoczynku.

Źródła:

1. Jak dobrze rozumiemy neuronalne pochodzenie sygnału fMRI BOLD? Owen J. Arthur, Simon Bonifacy. TRENDY w neurologii, tom 25, nr 1, styczeń 2002
2. Fizyka funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) RB Buxton. Reprezentant. Wałówka. fizyka 76 (2013)
3. Zastosowanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w praktyce klinicznej. Recenzja naukowa. Belyaev A., Peck Kyung K., Brennan N., Kholodny A. Rosyjskie elektroniczne czasopismo 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 aktywności przepływu krwi są rejestrowane za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Metodę stosuje się do określenia lokalizacji tętnic, oceny mikrokrążenia ośrodków wzroku, mowy, ruchu, kory mózgowej niektórych innych ośrodków czynnościowych. Cechą mapowania jest to, że pacjent jest proszony o wykonanie określonych zadań, które zwiększają aktywność pożądanego ośrodka mózgowego (czytanie, pisanie, mówienie, poruszanie nogami).

Na ostatnim etapie oprogramowanie generuje obraz, sumując konwencjonalne tomogramy warstwowe i obrazy mózgu z obciążeniem funkcjonalnym. Kompleks informacji wyświetla trójwymiarowy model. Modelowanie przestrzenne pozwala specjalistom na szczegółowe badanie obiektu.

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

Zasady funkcjonalnego MRI mózgu

Rezonans magnetyczny opiera się na rejestracji zmienionej częstotliwości radiowej atomów wodoru w płynnych ośrodkach po ekspozycji na silne pole magnetyczne. Klasyczny skan pokazuje komponenty tkanek miękkich. W celu poprawy widoczności naczyń krwionośnych wykonuje się dożylne podanie kontrastu paramagnetycznym gadolinem.

Funkcjonalny MRI rejestruje aktywność poszczególnych obszarów kory mózgowej z uwzględnieniem efektu magnetycznego hemoglobiny. Substancja po powrocie cząsteczki tlenu do tkanek staje się paramagnesem, którego częstotliwość radiowa jest odbierana przez czujniki urządzenia. Im intensywniejszy dopływ krwi do miąższu mózgu, tym lepszy sygnał.

Namagnesowanie tkanek jest dodatkowo zwiększane przez utlenianie glukozy. Substancja jest niezbędna do zapewnienia procesów oddychania tkankowego neuronów. Zmiana indukcji magnetycznej jest rejestrowana przez czujniki urządzenia i przetwarzana przez aplikację. Urządzenia o dużym polu tworzą rozdzielczość o wysokim stopniu jakości. Na tomogramie można prześledzić szczegółowy obraz detali o średnicy do 0,5 mm.

Funkcjonalne badanie MRI rejestruje sygnał nie tylko z jąder podstawy, kory zakrętu obręczy, wzgórza, ale także z guzów złośliwych. Nowotwory mają własną sieć naczyniową, przez którą glukoza i hemoglobina wchodzą do formacji. Śledzenie sygnału pozwala badać kontury, średnicę, głębokość penetracji guza do istoty białej lub szarej.

Diagnostyka funkcjonalna MRI mózgu wymaga kwalifikacji lekarza radiodiagnostyki. Różne strefy kory charakteryzują się różnym mikrokrążeniem. Nasycenie hemoglobiną, glukozą wpływa na jakość sygnału. Należy wziąć pod uwagę budowę cząsteczki tlenu, obecność alternatywnych substytutów atomów.

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

Intensywność metaboliczną dopływu krwi do guza najlepiej określić za pomocą aparatury wysokopolowej o mocy 3 tesli. Wysoka rozdzielczość pozwoli zarejestrować małą ostrość.

Skuteczność sygnału jest naukowo nazywana „reakcją hemodynamiczną”. Termin ten jest używany do opisania szybkości procesów neuronalnych w odstępie 1-2 sekund. Dopływ krwi do tkanek nie zawsze jest wystarczający do badań czynnościowych. Jakość wyniku poprawia dodatkowe podanie glukozy. Po stymulacji szczyt nasycenia pojawia się po 5 sekundach, kiedy wykonywany jest skan.

Cechy techniczne funkcjonalnego badania MRI mózgu

Diagnostyka funkcjonalna MRI opiera się na zwiększeniu aktywności neuronów po pobudzeniu aktywności mózgu poprzez wykonanie przez człowieka określonego zadania. Bodziec zewnętrzny powoduje pobudzenie czynności czuciowej lub ruchowej określonego ośrodka.

Aby śledzić obszar, tryb echa gradientowego jest aktywowany w oparciu o impulsową sekwencję echa planarnego.

Analiza sygnału rdzenia w MRI jest wykonywana szybko. Rejestracja jednego tomogramu odbywa się w odstępie 100 ms. Diagnozę przeprowadza się po stymulacji iw okresie spoczynku. Oprogramowanie wykorzystuje tomogramy do obliczania ognisk aktywności neuronów, nakładając obszary wzmocnionego sygnału na trójwymiarowy model spoczynkowego mózgu.

Dla lekarzy prowadzących ten rodzaj MRI 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 zweryfikować ogniska padaczkowe.

Ostateczna mapa mapowania pokazuje więcej niż tylko obszary zwiększonej stymulacji funkcjonalnej. Obrazy wizualizują strefy sensomotorycznej, słuchowej aktywności mowy wokół patologicznego ogniska.

Konstruowanie map lokalizacji kanałów mózgowych nazywa się traktografią. Funkcjonalne znaczenie lokalizacji drogi wzrokowej piramidalnej przed planowanym zabiegiem chirurgicznym pozwala neurochirurgom na prawidłowe zaplanowanie lokalizacji nacięć.

Co pokazuje fMRI?

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

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

Diagnostyka funkcjonalna w różnych ośrodkach medycznych jest wykonywana na różnych jednostkach. Wie, co pokazuje MRI mózgu, lekarz-diagnosta. Przed badaniem obowiązkowa jest konsultacja ze specjalistą.

Wyniki wysokiej jakości uzyskuje się poprzez skanowanie silnym polem magnetycznym. Przed wyborem centrum medycznego zalecamy zapoznanie się z typem zainstalowanego urządzenia. Ważna jest kwalifikacja specjalisty, który musi posiadać wiedzę na temat funkcjonalnego, strukturalnego komponentu mózgu.

Przyszłość funkcjonalnej diagnostyki MRI w medycynie

Badania funkcjonalne zostały niedawno wprowadzone do medycyny praktycznej. Możliwości metody nie są wykorzystywane w wystarczającym stopniu.

Naukowcy opracowują techniki wizualizacji snów, czytania myśli za pomocą funkcjonalnego MRI. Ma wykorzystywać tomografię do opracowania metody komunikacji z osobami sparaliżowanymi.

• pobudliwość nerwowa;
• aktywność psychiczna;
• Stopnie nasycenia kory mózgowej tlenem, glukozą;
• Ilość odoksylowanej hemoglobiny w naczyniach włosowatych;
• Obszary ekspansji przepływu krwi;
• Poziom oksyhemoglobiny w naczyniach.

Zalety badania:

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

Ograniczeniem masowego wykorzystania czynnościowego MRI mózgu jest wysoki koszt sprzętu, pojedyncze badanie, brak możliwości bezpośredniego pomiaru aktywności neuronów, czego nie można wykonać u pacjentów z wtrąceniami metalowymi w organizmie (klipsy naczyniowe, implanty uszne).

Rejestracja czynnościowego metabolizmu kory mózgowej ma dużą wartość diagnostyczną, ale nie jest dokładnym wskaźnikiem do dynamicznej oceny zmian zachodzących 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 magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). Technologia pojawiła się kilkadziesiąt lat temu, a dziś w wielu nowoczesnych klinikach można poddać się badaniu za pomocą takiego urządzenia. Jednak naukowcy nadal pracują nad poprawą dokładności technologii i opracowaniem nowych, bardziej wydajnych systemów. , starszy pracownik naukowy w Instytucie Maxa Plancka w Tybindze (Niemcy), jest jednym z wiodących specjalistów, który opracowuje nowe czujniki do eksperymentalnego rezonansu magnetycznego o ultrawysokim polu. Dzień wcześniej prowadził specjalny kurs na temat programu magisterskiego " Systemy i urządzenia RF» ITMO University, aw rozmowie z ITMO.NEWS opowiedział o swojej pracy i o tym, jak nowe badania w dziedzinie MRI pomogą usprawnić diagnostykę chorób.

Od kilku lat pracuje Pan w Zakładzie Rezonansu Magnetycznego Wysokich Pól Instytutu Maxa Plancka. Proszę nam powiedzieć, na czym polegają obecne badania?

Opracowuję nowe czujniki częstotliwości radiowej (RF) do MRI. Co to jest MRI, prawdopodobnie jest już znane większości ludzi, ponieważ w ciągu ostatnich 40 lat, odkąd ta technologia została opracowana, udało jej się dotrzeć do ogromnej liczby klinik i stać się niezbędnym narzędziem diagnostycznym. Ale nawet dzisiaj ludzie pracują nad ulepszeniem tej technologii, opracowując nowe systemy MRI.

MRI to przede wszystkim ogromny cylindryczny magnes, w którym umieszcza się pacjenta lub ochotnika w celu uzyskania obrazu 3D. Ale zanim stworzysz ten obraz, musisz wykonać wiele badań. Prowadzą go inżynierowie, fizycy, lekarze i inni specjaliści. Jestem jednym z ogniw tego łańcucha i prowadzę badania na styku fizyki i inżynierii. Dokładniej, rozwijamy czujniki do eksperymentalnego MRI ultrawysokopolowego, które jest wykorzystywane na etapie wzbudzenia, odbioru i przetwarzania sygnału uzyskanego w wyniku efektu fizycznego NMR.

Jednym z głównych kierunków jest rozwój nowych eksperymentalnych systemów MRI ultrawysokiego pola, czyli wykorzystujących wyższe stałe pole magnetyczne, które poprawia rozdzielczość obrazu lub skraca czas 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 polem magnetycznym 7 T i wyższym. Zwyczajowo nazywa się tomografy o polu magnetycznym 7 T i wyższym polu ultrawysokim. Na świecie jest już około stu tomografów o polu 7 T, ale trwają prace nad dalszym zwiększeniem pola magnetycznego. Na przykład mamy maszynę MRI 9,4 T w Instytucie Maxa Plancka w Tybindze.

Ale nawet przy przejściu z 7 do 9,4 T pojawia się wiele problemów technicznych, które wymagają poważnego rozwoju naukowego i technicznego, w tym obliczeń i projektowania czujników do MRI nowej generacji.

Jakie są te trudności?

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

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

Oznacza to, że takie zdjęcia stają się praktycznie nieczytelne?

nie powiedziałbym tak. Mówiąc dokładniej, w niektórych przypadkach utrudnia to ich interpretację. Istnieją jednak grupy opracowujące techniki uzyskiwania obrazów MR całego ciała ludzkiego. Jednak zadania naszej grupy skupiają się przede wszystkim na badaniu mózgu.

Jakie możliwości otwierają przed medycyną badania w dziedzinie rezonansu magnetycznego o ultrawysokim polu?

Jak wiesz, podczas rezonansu magnetycznego osoba musi leżeć nieruchomo: jeśli zaczniesz się ruszać podczas pomiarów, obraz będzie zniekształcony. Jednocześnie niektóre techniki MRI mogą zająć nawet godzinę i jasne jest, że trudno jest nie ruszać się przez cały ten czas. Zwiększona czułość tomografów ultrawysokopolowych umożliwia uzyskiwanie obrazów nie tylko o wyższej rozdzielczości, ale także znacznie szybciej. Jest to szczególnie ważne w badaniach dzieci i pacjentów w podeszłym wieku.

Nie sposób nie wspomnieć również o możliwościach spektroskopii rezonansu magnetycznego ( MRS, metoda pozwalająca na określenie zmian biochemicznych w tkankach w różnych chorobach poprzez stężenie określonych metabolitów - wyd. ).

W MRI głównym źródłem sygnału są atomy wodoru w cząsteczkach wody. Ale oprócz tego w innych cząsteczkach znajdują się inne atomy wodoru, które są ważne dla funkcjonowania ludzkiego organizmu. Przykłady obejmują różne metabolity, neuroprzekaźniki itp. Pomiar przestrzennego rozmieszczenia 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, a co za tym idzie mniejszy sygnał.

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

Innym ważnym obszarem technik MRI, dla którego zwiększona czułość jest krytyczna, jest funkcjonalny MRI, który jest ważną techniką w badaniach poznawczych ludzkiego mózgu.

Jak dotąd zdecydowana większość klinik na świecie nie posiada tomografów wysokopolowych. Jakie są perspektywy wykorzystania tomografów 7T, a później 9T w diagnostyce konwencjonalnej?

Aby tomograf trafił do kliniki, musi być certyfikowany, sprawdzony pod kątem warunków bezpieczeństwa i sporządzona odpowiednia dokumentacja. Jest to dość skomplikowana i długotrwała procedura. Jak dotąd na świecie jest tylko jedna firma, która zaczęła certyfikować nie tylko produkowane przez nas czujniki, ale także samo urządzenie. To jest Siemens.

Tomografów T jest 7, jest ich niewiele i nie można ich jeszcze nazwać w pełni klinicznymi. To, co nazwałem, jest opcją przedkliniczną, ale to urządzenie jest już certyfikowane, czyli potencjalnie może być używane w klinikach.

Jeszcze trudniej przewidzieć, kiedy tomografy 9,4 T pojawią się w przychodniach. Głównym problemem jest tutaj możliwe miejscowe nagrzewanie tkanek przez pole RF czujnika na skutek silnego spadku długości fali. Jednym z ważnych obszarów badań inżynierskich w ultrawysokim polu MRI jest szczegółowa numeryczna symulacja tego efektu w celu zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta. Pomimo tego, że badania takie prowadzone są w ramach instytucji naukowych, przejście do praktyki klinicznej wymaga dodatkowych badań.

Jak obecnie budowana jest współpraca Instytutu Maxa Plancka z ITMO University? Jakie wspólne rezultaty udało Ci się już uzyskać?

Prace postępują bardzo dobrze. Teraz pracuje z nami doktorantka ITMO University. Niedawno opublikowaliśmy artykuł w jednym z wiodących czasopism na temat rozwoju technicznego w dziedzinie MRI. W tej pracy potwierdziliśmy eksperymentalnie wyniki wcześniejszych badań teoretycznych, które poprawiają czułość czujników RF o ultrawysokim polu poprzez zastosowanie zmodyfikowanych i zoptymalizowanych anten dipolowych. Wynik tej pracy, moim zdaniem, okazał się bardzo obiecujący.

Teraz pracujemy również nad kilkoma kolejnymi artykułami, które są poświęcone wykorzystaniu podobnych metod, ale do innych zadań. A ostatnio Georgy otrzymał stypendium na wyjazd do Niemiec. W przyszłym miesiącu przyjeżdża do nas na sześć miesięcy i będziemy kontynuować współpracę nad dalszym rozwojem czujników do MRI.

W tym tygodniu prowadziłeś specjalny kurs na temat programu magisterskiego „Systemy i urządzenia o częstotliwości radiowej”. Jakie są główne tematy, które poruszyłeś?

Kurs poświęcony jest różnym cechom technicznym rozwoju czujników do MRI. W tej dziedzinie jest wiele subtelności, które musisz znać, dlatego przedstawiłem kilka podstawowych technik, które są używane do projektowania i produkcji tych czujników. Ponadto przedstawiłem wykład na temat moich ostatnich osiągnięć. W sumie kurs obejmuje osiem wykładów po dwie godziny akademickie, które zaplanowano na cztery dni. Na końcu znajduje się również demonstracja, która pomaga lepiej wyjaśnić te techniki.

Studenci studiów magisterskich są teraz w trakcie wybierania swojego przyszłego kierunku, więc myślę, że ten kurs dostarczy im dodatkowych informacji do oceny ich perspektyw.

A jeśli mówimy ogólnie o kształceniu w zakresie technologii MRI, to jaka wiedza i umiejętności, Pana zdaniem, są dziś przede wszystkim wymagane od takich specjalistów?

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

Jelena Mieńszikowa

Redakcja portalu informacyjnego