Функціональна магнітно-резонансна томографія. Микола Авдійович – про нові апарати МРТ та їх можливості Функціональна магнітно-резонансна томографія головного мозку

ТЕХНОЛОГІЇ

Є.І. Кремньова, Р.М. Коновалов, М.В. Кротенкова

Науковий центр неврології РАМН (Москва)

Починаючи з 90-х років. XX ст., функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ) є однією з провідних методик картування функціональних зон головного мозку через свою неінвазивність, відсутність променевого навантаження та відносно широку поширеність. Суть цієї методики полягає у вимірі гемодинамічних змін у відповідь на нейрональну активність (BOLD-ефект). Для успіху фМРТ-експерименту необхідно: наявність відповідного технічного забезпечення (високопольний МР-томо-граф, спеціальне обладнання для виконання завдань), розробка оптимального дизайну дослідження, постобробка даних. Нині методика застосовується у наукових цілях, а й у практичної медицині. Однак слід завжди пам'ятати про деякі обмеження та протипоказання, особливо при проведенні фМРТ у пацієнтів з різною патологією. Для правильного планування дослідження та інтерпретації його результатів необхідне залучення різних спеціалістів: нейрорентгенологів, біофізиків, неврологів, психологів, оскільки ФМРТ є мультидисциплінарною методикою.

Ключові слова: фМРТ, BOLD-контраст, дизайн дослідження, постобробка

Протягом багатьох століть вчених та лікарів цікавило, як функціонує людський мозок. З розвитком наукового та технічного прогресу стало можливим відкрити завісу цієї таємниці. І особливо цінним став винахід та впровадження у клінічну практику такого неінвазивного методу, як магнітно-резонансна томографія (МРТ). МРТ - порівняно молодий метод: перший комерційний 1,5 Т-томограф розпочав роботу лише у 1982 р. Проте до 1990 р. безперервне технічне вдосконалення методу дозволило використовувати його як дослідження структурних особливостей мозку, але й вивчення його функціонування. У цій статті йтиметься саме про методику, що дозволяє проводити картування різних функціональних зон головного мозку - функціональної магнітно-резонансної томографії (фМРТ).

Основні засади методики фМРТ_

фМРТ - методика МРТ, що вимірює гемодинамічний відповідь (зміна кровотоку), пов'язаний з активністю нейронів. В її основі лежать два основні поняття: нейроваскулярна взаємодія і BOLD-контраст.

фМРТ не дозволяє побачити електричну активність нейронів безпосередньо, а робить це опосередковано через локальну зміну кровотоку. Це можливо завдяки феномену нейроваскулярної взаємодії – регіональної зміни кровотоку у відповідь на активацію довколишніх нейронів. Даний ефект досягається через складну послідовність взаємопов'язаних реакцій, що протікають у нейронах, що оточують їх глі (астроци-ти) та ендотелії стінки судин, оскільки при посиленні активності нейрони потребують більшої кількості кисню та поживних речовин, що приносяться зі струмом крові. Методика фМРТ таки дозволяє безпосередньо оцінити зміну гемодинаміки.

Це стало можливим у 1990 р., коли Seiji Ogawa та його колеги з Bell Laboratories (США) запропонували використовувати BOLD-контраст для дослідження фізіології мозку за допомогою МРТ. Їх відкриття започаткувало еру

сучасної функціональної нейровізуалізації та лягло в основу більшості фМРТ досліджень. BOLD-конт-раст (дослівно - blood-oxygenation-level dependent, що залежить від рівня оксигенації крові) - це відмінність МР-сигналу на зображеннях з використанням градієнтних послідовностей в залежності від відсоткового вмісту дезоксигемоглобіну. Дезоксигемоглобін має відмінні від навколишніх тканин магнітні властивості, що при скануванні призводить до локального збурення магнітного поля та зниження сигналу в послідовності «градієнтна луна». При посиленні кровотоку у відповідь активацію нейронів дезоксигемоглобін вимивається з тканин, але в зміну йому приходить оксигенована кров, за магнітними властивостями схожа з оточуючими тканинами. Тоді обурення поля зменшується, і сигнал не придушується - і бачимо його локальне посилення (рис. 1А).

Таким чином, підсумовуючи все вищесказане, загальну схему фМРТ можна представити наступним чином: активація нейронів у відповідь на дію подразника та збільшення їх метаболічних потреб призводить до локального посилення кровотоку, що реєструється при проведенні фМРТ у вигляді BOLD-сигналу - твори нейрональної активності та гемодинамічної відповіді рис.

Мал. 1: А - схематична ілюстрація ВОШ-контрасту в досвіді Ода\га при зміні відсоткового вмісту кисню в крові щурів; при вдиханні нормального повітря (21% кисню), у корі визначаються ділянки зниження сигналу (у верхній частині малюнка), що відповідають судинам з підвищеним вмістом дезоксигемоглобіну; при вдиханні чистого кисню відзначається однорідний МР-сигнал від кори головного мозку (у нижній частині малюнка); Б - загальна схема формування ВОШ-сигналу

Планування експерименту

Для проведення фМРТ дослідження необхідна наявність високопідлогового МР-томографа (величина індукції магнітного поля - 1,5 Т і вище), різне обладнання для проведення завдань при скануванні (навушники, відеоокуляри, проектор, різні пульти та джойстики для зворотного зв'язку з випробуваними тощо) .). Важливий чинник - готовність досліджуваного співробітництва.

Схематично сам процес сканування (з прикладу зорової стимуляції) виглядає так (рис. 2): випробуваний перебуває у томографі; через спеціальну систему дзеркал, закріплену над головою, доступні зображення, що виводяться через відеопроектор на екран. Для зворотного зв'язку (якщо це мається на увазі завдання) пацієнт натискає кнопку на пульті. Подача стимулів та контроль виконання завдання здійснюється за допомогою консолі у пультовій.

Завдання, які виконує випробуваний, можуть бути різними: зоровими, когнітивними, моторними, мовними і т. д., залежно від цілей. Існують два основних типи подання стимулів у завданні: у вигляді блоків – блоковий дизайн, та у вигляді окремих розрізнених стимулів – дискретний дизайн (рис. 3). Також можлива комбінація обох цих варіантів – змішаний дизайн.

Найбільш поширеним, особливо для рухових завдань, є блоковий дизайн, коли однакові стимули зібрані в блоки, що чергуються між собою. Прикладом служить завдання стискати гумовий м'ячик (кожен стиск - це і є окремий стимул) протягом певного відрізка часу (в середньому - 20-30 с), що чергується з аналогічними періодами тривалості спокою. Подібний дизайн має найбільшу статистичну силу, оскільки відбувається підсумовування окремих BOLD-сигналів. Однак він, як правило, передбачуваний для пацієнтів і не дозволяє оцінити реакцію на окремий стимул, а тому не підходить для деяких завдань, зокрема, для когнітивних.

Мал. 2: Схема фМРТ-експерименту (за матеріалами ресурсу http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, із змінами)

Блоковий

Дискретний (event-related)

А 11 i А Д1 iil iiitU I I,

Мал. 3: Основні типи дизайнів фМРТ-досліджень

Функціональна магнітно-резонансна томографія

Для цього існує дискретний дизайн, коли стимули подаються хаотично через різні проміжки часу. Наприклад, випробуваному з арахнофобією показують нейтральні зображення (квіти, будівлі та ін.), серед яких час від часу з'являються павукові зображення, що дозволяє оцінити активацію головного мозку у відповідь на неприємні стимули. При блоковому дизайні це було б складно: по-перше, досліджуваний знає, коли з'явиться блок, і вже заздалегідь готується до цього, а по-друге, якщо протягом тривалого часу пред'являти той самий стимул, реакція на нього притуплюється. Саме дискретний дизайн може використовуватися при фМРТ як детектор брехні або в маркетингових дослідженнях, коли добровольцям показують різні варіанти продукції (її упаковки, форми, кольори) та спостерігають за їх неусвідомленою реакцією.

Отже, ми вибрали дизайн завдання, провели сканування. Що ж ми отримуємо у результаті? По-перше, це 4D-серія функціональних даних у послідовності «градієнтна луна», що є численними повторними скануваннями всього обсягу речовини головного мозку протягом виконання завдання. А по-друге, 3D-обсяг анатомічних даних високої роздільної здатності: наприклад, 1 х 1 х 1 мм (рис. 4). Останній необхідний для точного картування зон активації, оскільки функціональні дані мають низьку просторову роздільну здатність.

Постобробка даних_

Зміни МР-сигналу в зонах активації головного мозку при різних станах становлять лише 3-5%, вони невловимі для людського ока. Тому далі отримані функціональні дані піддаються статистичного аналізу: будується крива залежності інтенсивності МР-сигналу від часу кожному вокселу зображення за різних станах - експериментальному (подача стимулу) і контрольному. В результаті ми отримуємо статистичну карту активації, суміщену з анатомічними даними.

Але перш ніж безпосередньо провести подібний аналіз, необхідно підготувати отримані після закінчення сканування «сирі» дані і знизити варіабельність результатів, не пов'язану з експериментальним завданням. Алгоритм підготовки є багатоетапний процес, і він дуже важливий для розуміння можливих невдач і помилок при інтерпретації отриманих результатів. В даний час існує різне програм-

Щ -.V w<# %>

40 4»r ч® Ф W

Мал. 4: Серії функціональних (А) та анатомічних (Б) даних, отриманих після закінчення сканування

ве забезпечення для попередньої обробки отриманих даних, що випускається як виробниками МР-томо-графів, так і незалежними дослідницькими фМРТ-лабораторіями. Але, незважаючи на відмінності використовуваних методів, їх назв та представлення даних, всі етапи підготовки зводяться до кількох основних кроків.

1. Корекція руху голови випробуваного. При виконанні завдань це неминуче, незважаючи на використання різних пристроїв для фіксації голови (маски, затискачі на головній котушці та ін.). Навіть мінімальний рух може призводити до вираженого штучного зміни інтенсивності МР-сигналу між послідовними обсягами даних, особливо якщо зміщення голови пов'язане з виконанням експериментального завдання. У цьому випадку складно розрізнити «справжню» BOLD-активацію від «штучної», що виникає внаслідок руху досліджуваного (рис. 5).

Загальноприйнято приймати за оптимальне зміщення голови не більше ніж на 1 мм. При цьому зміщення перпендикулярно до площини сканування (напрямок «голова - ноги») істотно гірше для коректної статистичної обробки результатів, ніж зміщення в площині сканування. На даному етапі використовується алгоритм трансформації твердого тіла (rigid-body transformation) – просторова трансформація, при якій змінюються лише позиція та орієнтація об'єкта, а його розміри чи форма постійні. На практиці обробка виглядає наступним чином: вибирається референтій (як правило, перший) функціональний обсяг зображень, а всі наступні функціональні обсяги математично поєднуються з ним, подібно до того, як ми вирівнюємо паперові листи в стосі.

2. Кореєстрація функціональних та анатомічних даних.

Відмінності у положенні голови досліджуваного призводять до мінімуму. Також здійснюються комп'ютерна обробка та зіставлення анатомічних даних високої роздільної здатності та функціональних - дуже низької, для можливості подальшої локалізації зон активації.

Мал. 5: Приклад усунення голови пацієнта під час сканування під час моторної парадигми. У верхній частині малюнка - графік руху голови випробуваного у трьох взаємно перпендикулярних площинах: середня крива відбиває зміщення пацієнта по осі z (напрямок «голова -ноги»), і вона виражено відхиляється на початку виконання руху, і після закінчення. У нижній частині - статистичні карти активації того самого випробуваного без корекції руху. Визначаються типові артефакти від руху у вигляді напівкілець по краю речовини мозку

Крім того, мінімілізуються відмінності, пов'язані з різними режимами сканування (зазвичай для функціональних даних – це режим «градієнтна луна», для анатомічних – Т1). Так, режим градієнтне відлуння може дати деяке розтягнення зображення по одній з осей порівняно зі структурними зображеннями високої роздільної здатності.

3. Просторова нормалізація. Відомо, що форма та розміри людського мозку значно варіюють. Щоб порівняти дані, отримані від різних пацієнтів, і навіть обробити всю групу загалом, застосовують математичні алгоритми: так зване афінне перетворення (affine transformation). При цьому відбувається трансформація зображень окремих регіонів мозку - розтягування, стиснення, витягування та інше. - З наступним приведенням структурних даних до єдиної просторової системи координат.

В даний час найбільш поширеними у ФМРТ є дві системи просторових координат: система Талераша та система Монреальського неврологічного інституту. Перша була розроблена французьким нейрохірургом Жаном Талерашем (Jean Talairach) у 1988 р. на підставі посмертних вимірів мозку 60-річної француженки. Тоді були дані координати всіх анатомічних областей мозку щодо референтної лінії, що з'єднує передню та задню комісури. У цьому стереотаксичному просторі може бути розміщений будь-який мозок і зони інтересу можуть бути описані за допомогою тривимірної системи координат (x, y, z). Недолік подібної системи - це дані лише по одному мозку. Тому популярнішою є система, розроблена в Монреальському неврологічному інституті (MNI) на основі сумарного обчислення даних Т1 зображень 152 канадців.

Хоча в обох системах відлік ведеться від лінії, що з'єднує передню та задню комісури, координати цих систем не ідентичні, особливо при наближенні до конвекситальних поверхонь мозку. Це необхідно пам'ятати при зіставленні отриманих результатів із даними робіт інших дослідників.

Слід зазначити: даний етап обробки не застосовується при передопераційному картуванні функціональних зон активації в нейрохірургії, оскільки мета фМРТ у подібній ситуації – точно оцінити розташування даних зон у конкретного пацієнта.

4. Згладжування. Просторова нормалізація ніколи не буває точною, тому гомологічні регіони, а отже і зони їх активації, не відповідають один одному на 100%. Щоб досягти просторового накладання аналогічних зон активації у групи піддослідних, покращити співвідношення «сигнал - шум» і таким чином посилити достовірність даних, застосовується гаусова функція згладжування. Суть даного етапу обробки у «розмиванні» зон активації кожного досліджуваного, внаслідок чого збільшуються ділянки їхнього перекривання при груповому аналізі. Недолік - втрачається просторовий дозвіл.

Тепер, нарешті, можна безпосередньо перейти до статистичного аналізу, в результаті якого ми отримуємо дані про зони активації у вигляді кольорових карток, накладених на анатомічні дані. Ті самі дані можуть

Функціональна магнітно-резонансна томографія

Статистики: p-va/ues adjusted for search volume

set-level non-lsotroplc adjusted cluster-level voxel-level

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

^ conected "Е ^ uncorrected PFWE-con ^ FDR-con Т (У ^ unconected

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

Мал. 6: приклад подання результатів статистичної постобробки. Ліворуч - зони активації при виконанні рухової парадигми (піднімання - опускання правого вказівного пальця), поєднані з об'ємною реконструкцією головного мозку. Праворуч – статистичні дані для кожної зони активації

бути представлені у цифровому форматі із зазначенням статистичної значущості зони активації, її обсягу та координат у стереотаксичному просторі (рис. 6).

Застосування фМРТ_

У яких випадках проводять фМРТ? По-перше, у суто наукових цілях: це дослідження роботи нормального мозку та його функціональної асиметрії. Дана методика відродила інтерес дослідників до картування функцій головного мозку: не вдаючись до інвазивних втручань можна побачити, які зони головного мозку відповідають за той чи інший процес. Мабуть, найбільший прорив було зроблено у розумінні вищих когнітивних процесів, включаючи увагу, пам'ять та виконавчі функції. Подібні дослідження дозволили застосовувати фМРТ у практичних цілях, далеких від медицини та нейронаук (як детектор брехні, при маркетингових дослідженнях та ін.).

Крім того, ФМРТ намагаються активно застосовувати у практичній медицині. В даний час дана методика широко використовується в клінічній практиці для передопераційного картування основних функцій (рухових, мовленнєвих) перед нейрохірургічними втручаннями щодо об'ємних утворень головного мозку або некурабельної епілепсії. У навіть існує офіційний документ - практичне керівництво, складене Американським рентгенологічним коледжем і Американським товариством нейрорадіології, де детально розписана вся процедура.

Дослідники також намагаються впровадити фМРТ у рутинну клінічну практику при різних неврологічних та психічних захворюваннях. Основною метою численних робіт у цій галузі є оцінка зміни функціонування мозку у відповідь на пошкодження тієї чи іншої його ділянки - випадання та (або) перемикання зон, їх зміщення тощо, а також динамічне спостереження перебудови зон активації у відповідь на медикаментозну. терапію та (або) реабілітаційні заходи.

Зрештою, фМРТ-дослідження, що проводяться на хворих різних категорій, можуть допомогти визначити прогностичне значення різних варіантів функціональної перебудови кори для відновлення порушених функцій та виробити оптимальні алгоритми лікування.

Можливі невдачі дослідження_

При плануванні фМРТ завжди слід мати на увазі різні протипоказання, обмеження та можливі

джерела помилок при інтерпретації даних, одержуваних як здорових добровольців, так пацієнтів.

До них відносяться:

Будь-які фактори, що впливають на нейроваскулярну взаємодію та гемодинаміку і, як наслідок, на BOLD-контраст; тому завжди потрібно враховувати можливі зміни церебрального кровотоку, наприклад, через оклюзію або виражені стенози магістральних артерій голови і шиї, прийому вазоактивних препаратів; відомі і факти зниження або навіть інверсії BOLD-відповіді у деяких пацієнтів із злоякісними гліомами внаслідок порушення авторегуляції;

Наявність у досліджуваного протипоказань, загальних для будь-якого МРТ-дослідження (кардіостимулятори, клаустрофобія та ін.);

Металоконструкції в області лицьового (мозкового) відділів черепа (зубні протези, кліпси, пластини тощо), що не знімаються, що дають виражені артефакти в режимі «градієнтна луна»;

Відсутність (утруднення) співробітництва з боку випробуваного під час виконання завдання, пов'язане як з його когнітивним статусом, так і зі зниженням зору, слуху тощо, а також з відсутністю мотивації та належної уваги до виконання завдання;

Виражений рух обстежуваного під час виконання завдань;

неправильно спланований дизайн дослідження (вибір контрольного завдання, тривалість блоків або всього дослідження та ін.);

Ретельна розробка завдань, що є особливо важливим для клінічної фМРТ, а також при дослідженні групи людей або одного і того ж випробуваного в динаміці для можливості порівняння одержуваних зон активації; завдання мають бути відтворені, тобто однаковими протягом усього періоду дослідження та доступні для виконання всіма випробуваними; одним із можливих рішень для пацієнтів, які самостійно не можуть виконувати пов'язані з рухом завдання, є використання пасивних парадигм із застосуванням різних пристроїв для приведення кінцівок у рух;

Неправильний вибір параметрів сканування (час відлуння – ТЕ, час повторення – TR);

Невірно задані параметри постобробки даних різних етапах;

Помилкова інтерпретація отриманих статистичних даних, неправильне картування зон активації.

Висновок

Незважаючи на наведені вище обмеження, фМРТ є важливою та багатогранною сучасною методикою нейровізуалізації, яка поєднує в собі переваги високого просторового дозволу та неінвазивності з відсутністю необхідності внутрішньовенного контрастного.

посилення та впливу радіації. Однак дана методика дуже складна, і для успішного виконання завдань, поставлених перед дослідником, що працює з фМРТ, потрібен мультидисциплінарний підхід - залучення до дослідження не тільки нейрорентгенологів, а й біофізиків, нейрофізіологів, психологів, логопедів, лікарів клінічної практики, математиків. Тільки в цьому випадку можливе використання всього потенціалу фМРТ та отримання справді унікальних результатів.

Список літератури

1. Ashburner J., Friston K. Multimodal image coregistration and partitioning - unified framework. Neurolmage 1997; 6(3): 209-217.

2. Brian N. Pasley, Ralph D. Freeman. Neurovascular coupling. Scholarpedia 2008; 3(3): 5340.

3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. Діяльність age and tumor grade on BOLD functional MR image in preoperative assessment of patients with glioma. Radiology 2008; 3: 971-978.

4. Filippi M. fMRI techniques and protocols. Humana press 2009: 25.

5. Friston KJ, Williams S., HowardR. та ін. Movement-related effects в fMRI time-series. Magn. Reson. Med. 1996; 35: 346-355.

6. Glover, GH, Lai S. Self-наvigated spiral fMRI: Interleaved versus single-shot. Magn. Reson. Med. 1998; 39: 361-368.

7. Haller S, Bartsch AJ. Pitfalls in fMRI. Eur. Radiol. 2009; 19: 2689-2706.

8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. та ін. Blood oxygenation level-dependent MRI cerebral gliomas при breath holding. J. Magn. Reson Imaging 2004; 2: 160-167.

9. Huettel SA, Song AW, McCarthy G. Functional magnetic resonance imaging. Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.

10. Ogawa S., Lee T.M. Magnetic resonance imaging blood vessels at high fields: In vivo і in vitro measurements and image simulation. Magn. Reson. Med. 1990; 16(1): 9-18.

Магнітно-резонансна томографія незамінна в діагностиці багатьох захворювань і дозволяє отримати детальну візуалізацію внутрішніх органів та систем.

Відділення МРТ клініки НАКФФ у Москві оснащене високопідлоговим томографом Siemens MAGNETOM Aera з відкритим дизайном тунелю. Потужність томографа складає 1,5 Тесла. Устаткування дозволяє проводити обстеження людям вагою до 200 кг, ширина тунелю апарату (апертура) – 70 см. мозку. Вартість діагностики доступна, при цьому цінність одержаних результатів неймовірно висока. Усього виконується понад 35 видів магнітно-резонансних досліджень.

Після МРТ діагностики лікар проводить розмову з пацієнтом та видає диск із записом. Висновок надсилається за допомогою електронної пошти.

Підготовка

Більшість магнітно-резонансних досліджень не потребують спеціальної підготовки. Однак, наприклад, для проведення МРТ черевної порожнини та органів малого тазу рекомендується утримуватись від їжі та пиття за 5 годин до дослідження.

Перед відвідуванням центру магнітно-резонансної томографії (у день дослідження) необхідно одягти зручний одяг без будь-яких металевих елементів.

Протипоказання

Протипоказання до проведення магнітно-резонансної томографії пов'язані з тим, що під час дослідження утворюється потужне магнітне поле, здатне впливати на електроніку, метали. Виходячи з цього, абсолютним протипоказанням до МРТ є:

• кардіостимулятора;
• нейростимулятор;
• електронного імплантату середнього вуха;
• металевих кліпсів на судинах;
• інсулінових помп.

Встановлені кардіостимулятори, нейростимулятори, електронний імплантат середнього вуха, металеві кліпси на судинах, інсулінові помпи.

Обмеження під час проведення

Якщо у Вас встановлені великі металеві конструкції (наприклад, ендопротез суглоба), знадобиться документ про можливість та безпеку виконання МРТ. Це може бути сертифікат на імплантат (зазвичай видається після проведеної операції) або довідка від хірурга, який виконав втручання. Більшість таких конструкцій виготовляються з медичного титану, який не перешкоджає проведенню процедури. Але, в будь-якому випадку, перед дослідженням розкажіть лікареві відділення променевої діагностики про наявність сторонніх предметів в організмі - коронок у ротовій порожнині, пірсингу, і навіть татуюваннях (в останніх могли бути використані металовмісні фарби).

Ціна магнітно-резонансної томографії залежить від досліджуваної частини тіла та необхідності проведення додаткових процедур (наприклад, запровадження контрасту). Так МРТ головного мозку коштуватиме дорожче за томографію одного кисті руки. Запишіться на дослідження за телефоном у Москві: +7 495 266-85-01 або залиште заявку на сайті.

Дає досліднику дуже багато інформації про анатомічну будову органу, тканини або іншого об'єкта, що потрапляє у поле видимості. Однак, щоб склалася цілісна картина процесів, що відбуваються, не вистачає даних про функціональну активність. І для цього існує BOLD-функціональна магнітно-резонансна томографія (BOLD - blood oxygenation level dependent contrast, або контрастність, яка залежить від ступеня насичення крові киснем).

BOLD фМРТ - це один із найбільш застосовних та широко відомих способів визначати мозкову активність. Активація призводить до посилення місцевого кровотоку зі зміною відносної концентрації оксигенованого (збагаченого киснем) та дезоксигенованого (бідного киснем) гемоглобіну в місцевому кровотоку.

Рис.1.Схема реакції мозкового кровотоку в відповідь на збудження нейронів.

Дезоксигенована кров є парамагнетиком (речовиною, здатною намагнічуватись) і веде до падіння рівня сигналу МРТ. Якщо в області мозку більше оксигенованої крові – рівень МРТ-сигналу збільшується. Таким чином, кисень у крові виконує роль ендогенної контрастної речовини.

Рис.2.Об `єм мозкового кровопостачання (а) і BOLD-відповідь фМРТ (b) при активації первинної моторний корилюдини. Сигнал проходить в 4 стадії. 1 стадія – внаслідок активації нейронів підвищується споживаннякисню, збільшується кількість дезоксигенованої крові, BOLD— сигнал трохи зменшується (на графікуне показано, зменшення незначне). Судини розширюються, внаслідок чого кілька зменшуєтьсякровопостачання мозковий тканини. Стадія 2 – тривалий збільшення сигналу. Потенціал дії нейронівзакінчується, але потік оксигенованої крові збільшується інерційно, можливо внаслідок впливубіохімічних маркерів гіпоксії. Стадія 3 – тривалий зниження сигналу внаслідок нормалізаціїкровопостачання. 4 стадія – постстимульний спад – викликаний повільним відновленням початковогокровопостачання.

Для активації роботи нейронів у певних областях кори є спеціальні активуючі завдання. Дизайн завдань, як правило, буває двох видів: «block» та «event-related». Кожен вид передбачає наявність двох фаз, що чергуються - активного стану і спокою. У клінічній фМРТ найчастіше використовуються завдання виду «block». Виконуючи такі вправи, випробуваний чергує звані ON- (активний стан) і OFF- (стан спокою) періоди однакової чи нерівної тривалості. Наприклад, при визначенні області кори, що відповідає за рухи рук, завдання складаються з рухів, що чергуються, пальцями і періодів бездіяльності, тривалістю в середньому близько 20 секунд. Дії повторюють кілька разів збільшення точності результату фМРТ. У разі завдання «event-related» випробуваний виконує одну коротку дію (наприклад, ковтання або стиснення кулака), за яким слідує період спокою, при цьому дії, на відміну від блокового дизайну, чергуються нерівномірно та непослідовно.

На практиці BOLD фМРТ використовується під час передопераційного планування резекції (видалення) пухлин, діагностики судинних мальформацій, при операціях при тяжких формах епілепсії та інших уражень головного мозку. У ході операції на головному мозку важливо максимально точно видалити ділянку ураження, в той же час уникаючи зайвого ушкодження сусідніх функціонально важливих ділянок головного мозку.

Рис.3.

а – тривимірне МРТ— зображення головного мозку. Стрілкою вказано розташування моторний кори впрецентральної звивині.

b – карта фМРТ—активності мозку в прецентральної звивині при русі рукою.

Метод дуже ефективний щодо дегенеративних захворювань, наприклад, хвороб Альцгеймера і Паркінсона, особливо у ранніх стадіях. Він не передбачає використання іонізуючого випромінювання та рентгеноконтрастних речовин, до того ж він неінвазивний. Тому його можна вважати досить безпечним для пацієнтів, які потребують тривалих та регулярних фМРТ-обстежень. ФМРТ можна застосовувати для дослідження механізмів формування епілептичних нападів і дозволяє уникнути видалення функціональної кори у хворих з важковиліковною епілепсією лобової частки. Спостереження за відновленням мозку після інсультів, вивчення впливу лікарських засобів або іншої терапії, спостереження та контроль лікування психіатричних захворювань – це не повний перелік можливого застосування фМРТ. Крім цього, існує ще фМРТ спокою, в якій складна обробка даних дозволяє побачити мережі мозку, що функціонують у стані спокою.

Джерела:

1. Як добре, щоб підтвердити neural origins fMRI BOLD signal? Owen J.Arthur, Simon Boniface. TRENDS in Neurosciences Vol.25 No.1 January 2002
2. Психологія функціонального magnetic resonance imaging (fMRI) R. B. Buxton. Rep. Прог. Phys. 76 (2013)
3. Застосування функціональної магнітно-резонансної томографії у клініці. Науковий огляд. Бєляєв А., Пек Кюнг К., Бреннан Н., Холодний А. Російський електронний журнал з радіології. Том 4 №1 2014р.
4. Мозок, пізнання, розум: введення в когнітивні нейронауки. Частина 2 . Б. Баарс, Н. Гейдж. М: Біном. 2014р. З. 353-360.

Текст: Дарія Прокудіна

Зміна активності кровотоку реєструється функціональною магнітно-резонансною томографією (ФМРТ). Спосіб застосовується з метою визначення локалізації артерій для оцінки мікроциркуляції центрів зору, мови, руху, кори деяких інших функціональних центрів. Особливість картування – пацієнта просять виконувати певні завдання, що підвищують активність необхідного мозкового центру (читати, писати, розмовляти, рухати ногами).

На заключній стадії програмне забезпечення формує зображення шляхом підсумовування звичайних пошарових томограм та картинок мозку з функціональним навантаженням. Комплекс інформації відображає тривимірну модель. Просторове моделювання дозволяє фахівцям детально вивчити об'єкт.

Разом із МРТ спектроскопією дослідження виявляє всі особливості метаболізму патологічних утворень.

Принципи функціональної МРТ головного мозку

Магнітно-резонансна томографія ґрунтується на реєстрації зміненої радіочастоти атомів водню рідких середовищ після дії сильним магнітним полем. Класичне сканування показує м'якоткані компоненти. Для покращення видимості судин проводиться внутрішньовенне контрастування парамагнетиком гадолінієм.

Функціональна МРТ реєструє активність окремих зон кори мозку з допомогою обліку магнітного ефекту гемоглобіну. Речовина після віддачі молекули кисню тканинам стає парамагнетиком, радіочастоту якого вловлюють датчики апарату. Чим інтенсивніше кровопостачання мозкової паренхіми, тим якісніший сигнал.

Магнетизація тканини додатково підвищується за рахунок окиснення глюкози. Речовина необхідна забезпечення процесів тканинного дихання нейронів. Зміна магнітної індукції реєструється датчиками пристрою, що обробляється програмним додатком. Високопальні апарати створюють дозвіл високого ступеня якості. На томограмі простежується детальне зображення деталей діаметром 0,5 мм діаметром.

Функціональне дослідження МРТ реєструє сигнал від базальних гангліїв, поясної кори, таламуса, а й від злоякісних пухлин. Новоутворення мають власну судинну мережу, якою всередину освіти надходить глюкоза, гемоглобін. Відстеження сигналу дозволяє вивчити контури, діаметр, глибину проникнення пухлини всередину білої чи сірої речовини.

Функціональна діагностика МРТ мозку потребує кваліфікації лікаря променевої діагностики. Різні зони кори характеризуються різною мікроциркуляцією. Насичення гемоглобіном, глюкозою впливає якість сигналу. Враховувати слід структуру молекули кисню, наявність альтернативних замінників атомів.

Сильне магнітне поле збільшує період напіврозпаду кисню. Ефект працює при потужності апарата понад 1,5 ТЕСЛА. Більше слабкі установки не зможуть досліджувати функціональну активність мозку.

Метаболічну інтенсивність кровопостачання пухлини краще визначати високопідлоговим обладнанням потужністю 3 Тесла. Висока роздільна здатність дозволить зареєструвати невелике вогнище.

Ефективність сигналу науковою мовою називається «гемодинамічною відповіддю». Термін використовується для опису швидкості нейронних процесів з інтервалом 1-2 секунди. Кровопостачання тканин не завжди достатньо для функціональних досліджень. Підвищується якість результату додатковим запровадженням глюкози. Після стимуляції пік насичення настає через 5 секунд, коли проводиться сканування.

Технічні особливості функціонального дослідження МРТ мозку

Функціональна діагностика МРТ ґрунтується на підвищенні активності нейронів після стимуляції мозкової активності шляхом виконання людиною певного завдання. Зовнішній подразник викликає стимуляцію сенсорної чи моторної активності певного центру.

Для відстеження ділянки включається режим градієнтної луни на основі ехопланарної імпульсної послідовності.

Аналіз сигналу активної зони МРТ робиться швидко. Реєстрація однієї томограми виконується на інтервалі 100 мс. Діагностика виконується після стимуляції та в періоді спокою. Програмне забезпечення використовує томограми для обчислення осередків нейрональної активності, накладання ділянок посиленого сигналу на тривимірну модель мозку у спокої.

Лікарям цей тип МРТ надає інформацію про патофізіологічні процеси, які не можна відстежити іншими діагностичними методами. Вивчення когнітивних функцій необхідне нейропсихологам для диференціювання психічних та психологічних захворювань. Дослідження допомагає верифікувати епілептичні вогнища.

Фінальна карта картування показує як ділянки підвищеної функціональної стимуляції. Знімки візуалізують зони сенсомоторної, слухової активності мовлення навколо патологічного вогнища.

Побудова карт розташування мозкових каналів називається трактографією. Функціональна значущість розташування зорового, пірамідного тракту перед плануванням оперативного втручання дозволяє нейрохірургам правильно спланувати розташування надрізів.

Що показує ФМРТ

Високопальна МРТ з функціональними пробами призначається за показаннями, коли потрібно вивчити патофізіологічні основи функціонування моторних, сенсорних, зорових, слухових зон мозкової кори головного мозку. Нейропсихіологи застосовують дослідження у пацієнтів із порушенням мови, уваги, пам'яті, когнітивних функцій.

За допомогою ФМРТ виявляється ряд захворювань на початковій стадії – Альцгеймера, Паркінсона, демієлінізацію при розсіяному склерозі.

Функціональна діагностика у різних медичних центрах виконується різних установках. Знає, що показує МРТ головного мозку, лікар-діагност. Консультація спеціаліста обов'язково проводиться перед обстеженням.

Висока якість результатів досягається скануванням потужним магнітним полем. Перед вибором медичного центру рекомендуємо дізнатися про тип встановленого апарату. Важлива кваліфікація фахівця, який має володіти знаннями про функціональну, структурну складову головного мозку.

Майбутнє функціональної діагностики МРТ у медицині

Функціональні дослідження нещодавно впроваджено у практичну медицину. Можливості методу використано недостатньо.

Вчені розробляють методики візуалізації снів, читання думок за допомогою функціональної МРТ. Передбачається використання томографії розробки методу спілкування з паралізованими людьми.

• Нейронну збудливість;
• Психічної активності;
• ступеня насичення мозкової кори киснем, глюкозою;
• Кількості дезоксильованого гемоглобіну в капілярах;
• ділянок розширення кровотоку;
• Рівень оксигемоглобіну в судинах.

Переваги дослідження:

1. Якісна тимчасова картинка;
2. Просторова роздільна здатність вище 3 мм;
3. Можливість вивчення мозку до та після стимуляції;
4. Нешкідливість (у порівнянні з ПЕТ);
5. Відсутність інвазивності.

Обмежує масове використання функціонального МРТ головного мозку висока вартість обладнання, кожного одиничного обстеження, неможливість прямого вимірювання нейрональної активності, не можна робити пацієнтам із металевими включеннями в тілі (судинні кліпси, вушні імпланти).

Реєстрація функціонального метаболізму мозкової кори має велике діагностичне значення, але не є точним показником динамічної оцінки змін головного мозку на фоні лікування, після оперативного втручання.

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) – спосіб отримання томографічних медичних зображень для неінвазивного дослідження внутрішніх органів та тканин, заснований на явищі ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Технологія з'явилася кілька десятків років тому і сьогодні пройти обстеження на такому апараті можна в багатьох сучасних клініках. Проте вчені продовжують працювати над підвищенням точності технології та розробкою нових, більш ефективних систем. , старший науковий співробітник Інституту Макса Планка у Тюбінгені (Німеччина), - один із провідних фахівців, який розробляє нові датчики для експериментальних надвисокопольних МРТ. Напередодні він провів спецкурс на програмі магістратури. Радіочастотні системи та пристрої» Університету ІТМО, а в інтерв'ю ITMO.NEWS розповів про свою роботу та про те, як нові дослідження в галузі МРТ допоможуть зробити діагностику захворювань ефективнішою.

Останні кілька років ви працюєте у департаменті High-field Magnetic Resonance Інституту Макса Планка. Розкажіть, будь ласка, чому присвячені ваші поточні дослідження?

Я займаюся розробкою нових радіочастотних датчиків для МРТ. Що таке МРТ, напевно, зараз відомо вже більшості людей, оскільки за останні 40 років, відколи цю технологію розробили, вона встигла прийти у величезну кількість клінік і стати незамінним інструментом діагностики. Але й сьогодні люди працюють над покращенням цієї технології, розробляючи нові системи МРТ.

МРТ - це в першу чергу величезний циліндричний магніт, який міститься пацієнт або волонтер для отримання тривимірного зображення. Але перш ніж це зображення створити потрібно провести величезну дослідницьку роботу. Її ведуть інженери, фізики, лікарі та інші спеціалісти. Я є однією з ланок у цьому ланцюзі і займаюся дослідженнями на стику фізики та інженерії. Більш конкретно - ми розробляємо датчики для надвисокопольного експериментального МРТ, яке використовується на стадії збудження, прийому та обробки сигналу, отриманого в результаті фізичного ефекту ЯМР.

Один з основних напрямків - розробка нових експериментальних надвисокопольних систем МРТ, тобто використовують вищу постійне магнітне поле, що дозволяє поліпшити роздільну здатність зображення або зменшити час сканування, що дуже важливо для багатьох клінічних досліджень та діагностики.

Звичайні клінічні томографи використовують постійні поля до 3 Т, але з'являються експериментальні томографи з магнітним полем 7 Т і вище. Прийнято називати томографи з магнітним полем 7 Т і вище надвисокопольними. Томографів із полем у 7 Т у світі вже налічується близько ста, але ведуться розробки щодо подальшого збільшення магнітного поля. Наприклад, у нас в Інституті Макса Планка у Тюбінгені є МРТ апарат 9,4 Т.

Але навіть при переході від 7 до 9,4 Т виникає багато технічних проблем, що вимагають серйозних науково-технічних розробок, включаючи розрахунок і конструювання датчиків для МРТ нового покоління.

У чому складнощі?

Збільшення постійного магнітного поля призводить до збільшення частоти РЧ-датчиків. Наприклад, клінічні 3 Т томографи використовують датчики з резонансною частотою близько 120 МГц, тоді як 7 Т томограф вимагає датчики з частотою 300 МГц. Це в першу чергу призводить до скорочення довжини хвилі РЧ-поля в тканинах людини. Якщо частота 120 МГц відповідає приблизно довжині хвилі 35-40 сантиметрів, то на частоті 300 МГц вона зменшується до величини близько 15 см, що набагато менше розмірів тіла людини.

Внаслідок цього ефекту чутливість РЧ-датчиків може сильно спотворюватися щодо великих об'єктів (більше довжини хвилі). Це призводить до труднощів в інтерпретації зображень та діагностики клінічних захворювань та патологій. У полі 9,4 Т, що відповідає частоті датчиків 400 МГц, всі ці проблеми стають ще більш критичними.

Тобто такі знімки стають фактично нечитаними?

Я б так не сказав. Висловлюючись точніше, у деяких випадках це ускладнює їхню інтерпретацію. Проте, існують групи, які розробляють методики отримання МР-зображень всього тіла людини. Однак завдання нашої групи, зосереджені насамперед на дослідженні головного мозку.

Які саме можливості для медицини відкривають дослідження в галузі надвисокопольного МРТ?

Як ви знаєте, при МРТ людина повинна лежати нерухомо: якщо ви починаєте рухатися під час вимірів, картинка вийде спотвореною. При цьому якісь методики МРТ можуть займати до години і зрозуміло, що не рухатися протягом усього цього часу складно. Підвищена чутливість надвисокопольних томографів дає можливість отримувати зображення не тільки з вищою роздільною здатністю, але і набагато швидше. Це насамперед важливо щодо дітей і пацієнтів похилого віку.

Не можна також не сказати про можливості для магнітно-резонансної спектроскопії ( МРС, метод, що дозволяє визначити біохімічні зміни тканин при різних захворюваннях по концентрації певних метаболітів. прим.ред. ).

У МРТ основним джерелом сигналу є атоми водню молекул води. Але, крім цього, існують інші атоми водню, що знаходяться в інших молекулах, які важливі для функціонування людського організму. Як приклад можна навести різні метаболіти, нейромедіатори тощо. Вимір просторового розподілу цих речовин за допомогою МРС може дати корисну інформацію для вивчення патологій пов'язаних з порушенням метаболізму в організмі людини. Часто чутливість клінічних томографів недостатня для їх вивчення через їх низьку концентрацію і, як наслідок, менший сигнал.

На додаток до цього можна спостерігати ЯМР-сигнал не тільки від атомів водню, а й інших магнітних атомів, які також дуже важливі для діагностики захворювань та медичних досліджень. Однак, по-перше, їхній ЯМР-сигнал набагато слабший за рахунок меншого гіромагнітного відношення і, по-друге, їх природний вміст у тілі людини набагато менший за атоми водню. Підвищена чутливість надвисокопольного МРТ є виключно важливою для МРС.

Ще одним важливим напрямом МРТ-методик, для яких критично важлива підвищена чутливість, є функціональна МРТ – важлива методика когнітивних досліджень мозку людини.

Поки що у переважній більшості клінік світу немає високопідлогових томографів. Які перспективи того, що томографи 7 Т, а після 9 Т зможуть використовуватися у звичайній діагностиці?

Щоб томограф прийшов до клініки, він має бути сертифікований, перевірений за умовами безпеки, має бути складена відповідна документація. Це досить складна та тривала процедура. Поки що існує лише одна компанія у світі, яка почала сертифікувати не лише датчики, які ми робимо, а й сам прилад. Це компанія Siemens.

Томографи 7 Т є, їх не так багато, і повністю клінічними їх поки що назвати не можна. Те, що я назвав, це передклінічний варіант, але цей пристрій вже сертифікований, тобто потенційно може використовуватись у клініках.

Передбачити, як у клініках з'являться томографи 9,4 Т, ще складніше. Основна проблема тут полягає у можливому локальному нагріванні тканин РЧ-полем датчика за рахунок сильного зменшення довжини хвилі. Одним із важливих напрямів інженерних досліджень надвисокопольної МРТ є детальне чисельне моделювання цього ефекту для забезпечення безпеки пацієнтів. Незважаючи на те, що подібні дослідження ведуться в рамках наукових установ, перехід у клінічну практику потребує додаткових досліджень.

Як зараз будується співпраця між Інститутом Макса Планка та Університетом ІТМО? Які спільні результати ви вже отримали?

Робота просувається дуже успішно. Зараз з нами працює, аспірант Університету ІТМО. Нещодавно ми опублікували статтю в одному з провідних журналів, присвячену технічним розробкам у галузі МРТ. У цій роботі ми експериментально підтвердили результати попередніх теоретичних досліджень, що дозволяють покращити чутливість надвисокопольних РЧ-датчиків за рахунок використання модифікованих та оптимізованих дипольних антен. Підсумок цієї роботи, на мій погляд, вийшов дуже перспективним.

Зараз ми також працюємо над кількома статтями, які присвячені використанню подібних методів, але вже для інших завдань. А нещодавно Георгій отримав грант на поїздку до Німеччини. Наступного місяця він приїжджає до нас на півроку, і ми продовжимо спільну роботу щодо подальшої розробки датчиків для МРТ.

Цього тижня ви провели спецкурс на програмі магістратури «Радіочастотні системи та пристрої». Які головні теми ви торкнулися?

Курс присвячений різним технічним особливостям розробки датчиків для МРТ. У цій сфері є багато тонкощів, які необхідно знати, тому я представив низку базисних методик, які використовуються для розробки та виготовлення цих датчиків. Крім того, я представив лекцію про свої останні розробки. Всього курс включає вісім лекцій по дві академічні години, які розраховані на чотири дні. Наприкінці також проводиться демонстрація, яка дозволяє більш зрозуміло пояснити ці методики.

Студенти магістратури зараз перебувають у процесі вибору свого майбутнього напряму, тому, гадаю, цей курс дасть їм додаткову інформацію для оцінки своїх перспектив.

А якщо говорити загалом про освіту в галузі МРТ технологій, які, на вашу думку, сьогодні знання та навички передусім потрібні від таких фахівців?

Незважаючи на те, що наша область зараз стала дуже популярною та перспективною для використання в клінічній діагностиці, якихось інженерних курсів, які б готували вузькоспеціалізованих фахівців, які займаються виготовленням котушок для МРТ, зараз не існує. Утворився якийсь пролом. І думаю, що ми разом можемо її заповнити.

Олена Меньшикова

Редакція порталу новин