Научные открытия и технические изобретения изменяют медицину, делая многие процедуры более безопасными и точными. Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это современный метод получения четких изображений внутренних органов и тканей человека. Отличительные особенности процедуры заключаются в том, что она не создает лучевой нагрузки на организм. Кроме того, магнитно- резонансную томографию (МРТ) проводят с минимальной предварительной подготовкой. Этот метод абсолютно безопасен для человека и не несет никаких неприятных ощущений.
История магнитно резонансной томографии (МРТ) весьма обширна. Первые аппараты для проведения этой процедур появились около 30 лет назад, однако тогда они еще не были такими мощными. За последнее десятилетие наука осуществила значительный прорыв, создав аппараты для магнитно резонансной томографии (МРТ) мощность в 1,5 и даже 3 тесла. Такие мощные аппараты чаще используют для исследовательской деятельности, в клиниках же, как правило, применяют оборудование мощностью около 1,0 тесла.
Проведение магнитно резонансной томографии (МРТ) в нашей клинике
В отделении установлен современный магнитно-резонансный томограф Philips Panorama 1.0 Т (томограф с открытой апертурой и напряженностью магнитного поля 1.0 Тесла). Система для МРТ с большим полем обзора Panorama разработана для максимального удобства, как пациентов, так и врачей. Она обладает широко открытым дизайном, большим полем обзора, обширным спектром клинических показаний и позволяет получать изображения высокого качества. Кроме этого, аппарат снабжен парамагнитной системой для болюсного внутривенного введения контрастного препарата, что позволяет увеличить диагностическую ценность исследования.
Показания к применению МРТ:
- заболевания головного мозга (сосудистого, воспалительного, неопластического и другого генеза), в том числе прицельные исследования гипофиза, орбит, мосто-мозжечкового угла, придаточных пазух носа;
- аномалии развития, сосудистые мальформации магистральных сосудов головного мозга - МР-ангиография артерий и вен головного мозга;
- заболевания позвоночника (дегенеративно-дистрофические, воспалительные, неопластического и другого генеза);
- заболевания носоглотки, гортани, в т.ч. лимфоаденопатия лимфоузлов шеи;
- заболевания органов брюшной полости (в т.ч. с применением гепатоспецифического контрастного препарата);
- исследование желчевыводящих путей (МР-холангиопанкреатография);
- заболевания органов малого таза (как у женщин, так и мужчин);
- заболевания суставов (в т.ч. травматического, воспалительного и неопластического генеза).
В связи с ростом онкозаболеваний молочных желез следует выделить отдельно исследование молочных желез, которое позволяет выявить непальпируемые неопластические процессы, уточнить характер узловых образований, распознать мультифокальное поражение, а также оценить распространенность процесса. Кроме этого, МР-маммография применяется для уточнения состояния имплантов.
Время исследования зависит от области исследования и необходимости применения внутривенного контрастного усиления, в среднем составляет от 30 до 60 минут.
Предварительная подготовка необходима для исследований органов брюшной полости (натощак), для исследования органов малого таза (предварительное очищение толстой кишки) и для исследований с внутривенным контрастным усилением (целесообразна предварительная консультация аллерголога и уточнение уровня сывороточного креатинина).
Противопоказания для проведения МРТ:
АБСОЛЮТНЫЕ ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ
- Кардиостимулятор, кохлеарные импланты, иные виды стимуляторов;
- Инсулиновые насосы;
- Кава-фильтры и стенты из неизвестного металла;
- Металлические клипсы в сосудах;
- Инородные металлические предметы (стружки, осколки, пирсинг и др.).
ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ
- Беременность;
- Тяжелое состояние пациента;
- Клаустрофобия.
Изменение активности кровотока регистрируется функциональной магнитно-резонансной томографией (ФМРТ). Способ применяется с целью определения локализации артерий, для оценки микроциркуляции центров зрения, речи, движения, коры некоторых других функциональных центров. Особенность картирования – пациента просят выполнять определенные задачи, повышающие активность нужного мозгового центра (читать, писать, разговаривать, двигать ногами).
На заключительной стадии программное обеспечение формирует изображение путем суммации обычных послойных томограмм и картинок мозга с функциональной нагрузкой. Комплекс информации отображает трехмерная модель. Пространственное моделирование позволяет специалистами детально изучить объект.
Вместе с МРТ спектроскопией исследование выявляет все особенности метаболизма патологических образований.
Принципы функциональной МРТ головного мозга
Магнитно-резонансная томография основана на регистрации измененной радиочастоты атомов водорода жидких сред после воздействия сильным магнитным полем. Классическое сканирование показывает мягкотканые компоненты. Для улучшения видимости сосудов проводится внутривенное контрастирование парамагнетиком гадолинием.
Функциональная МРТ регистрирует активность отдельных зон коры мозга за счет учета магнитного эффекта гемоглобина. Вещество после отдачи молекулы кислорода тканям становится парамагнетиком, радиочастоту которого улавливают датчики аппарата. Чем интенсивнее кровоснабжение мозговой паренхимы, тем качественнее сигнал.
Магнетизация ткани дополнительно повышается за счет окисления глюкозы. Вещество необходимо для обеспечения процессов тканевого дыхания нейронов. Изменение магнитной индукции регистрируется датчиками устройства, обрабатывается программным приложением. Высокопольные аппараты создают разрешение высокой степени качества. На томограмме прослеживается детальное изображение деталей диаметром до 0,5 мм диаметром.
Функциональное исследование МРТ регистрирует сигнал не только от базальных ганглиев, поясной коры, таламуса, но и от злокачественных опухолей. Новообразования имеют собственную сосудистую сеть, по которой внутрь образования поступает глюкоза, гемоглобин. Отслеживание сигнала позволяет изучить контуры, диаметр, глубину проникновения опухоли внутрь белого или серого вещества.
Функциональная диагностика МРТ головного мозга требует квалификации врача лучевой диагностики. Разные зоны коры характеризуются различной микроциркуляцией. Насыщение гемоглобином, глюкозой влияет на качество сигнала. Учитывать следует структуру молекулы кислорода, наличие альтернативных заменителей атомов.
Сильное магнитное поле увеличивает период полураспада кислорода. Эффект работает при мощности аппарата более 1,5 Тесла. Более слабые установки нельзя не смогут исследовать функциональную активность мозга.
Метаболическую интенсивность кровоснабжения опухоли лучше определять высокопольным оборудованием мощностью 3 Тесла. Высокое разрешение позволит зарегистрировать небольшой очаг.
Эффективность сигнала научным языком называется «гемодинамическим ответом». Термин применяется для описания скорости нейронных процессов с интервалом 1-2 секунды. Кровоснабжения тканей не всегда достаточно для функциональных исследований. Повышается качество результата дополнительным введением глюкозы. После стимуляции пик насыщения наступает через 5 секунд, когда и проводится сканирование.
Технические особенности функционального исследования МРТ мозга
Функциональная диагностика МРТ основана на повышении активности нейронов после стимуляции мозговой активности путем выполнения человеком определенного задания. Внешний раздражитель вызывает стимуляцию сенсорной или моторной активности определенного центра.
Для отслеживания участка включается режим градиентного эха на основе импульсной эхопланарной последовательности.
Анализ сигнала активной зоны на МРТ делается быстро. Регистрация одной томограммы выполняется на интервале в 100 мс. Диагностика выполняется после стимуляции и в периоде покоя. Программное обеспечение использует томограммы для вычисления очагов нейрональной активности, наложения участков усиленного сигнала на трехмерную модель мозга в покое.
Лечащим врачам данный тип МРТ предоставляет информацию о патофизиологических процессах, которые нельзя отследить другими диагностическими методами. Изучение когнитивных функций необходимо нейропсихологам для дифференцировки психических и психологических заболеваний. Исследование помогает верифицировать эпилептические очаги.
Финальная карта картирования показывает не только участки повышенной функциональной стимуляции. Снимки визуализируют зоны сенсомоторной, слуховой речевой активности вокруг патологического очага.
Построение карт расположения мозговых каналов называется трактографией. Функциональная значимость расположения зрительного, пирамидного тракта перед планированием оперативного вмешательства позволяет нейрохирургам правильно спланировать расположения надрезов.
Что показывает ФМРТ
Высокопольное МРТ с функциональными пробами назначается по показаниям, когда требуется изучить патофизиологические основы функционирования моторных, сенсорных, зрительных, слуховых зон мозговой коры головного мозга. Нейропсихиологи применяют исследование у пациентов с нарушением речи, внимания, памяти, когнитивных функций.
С помощью ФМРТ выявляется ряд заболеваний на начальной стадии – Альцгеймера, Паркинсона, демиелинизацию при рассеянном склерозе.
Функциональная диагностика в разных медицинских центрах выполняется на различных установках. Знает, что показывает МРТ головного мозга , врач-диагност. Консультация специалиста обязательно проводится перед обследованием.
Высокое качество результатов достигается сканированием сильным магнитным полем. Перед выбором медицинского центра рекомендуем узнать тип установленного аппарата. Важна квалификация специалиста, который должен владеть знаниями о функциональной, структурной составляющей головного мозга.
Будущее функциональной диагностики МРТ в медицине
Функциональные исследования недавно внедрены в практическую медицину. Возможности метода использованы недостаточно.
Ученые разрабатывают методики визуализации снов, чтения мыслей с помощью функциональной МРТ. Предполагается использование томографии для выработки метода общения с парализованными людьми.
- Нейронной возбудимости;
- Психической активности;
- Степени насыщения мозговой коры кислородом, глюкозой;
- Количества дезоксилированного гемоглобина в капиллярах;
- Участков расширения кровотока;
- Уровня оксигемоглобина в сосудах.
Достоинства исследования:
- Качественная временная картинка;
- Пространственное разрешение выше 3 мм;
- Возможность изучения мозга до и после стимуляции;
- Безвредность (при сравнении с ПЭТ);
- Отсутствие инвазивности.
Ограничивает массовое использование функционального МРТ головного мозга высокая стоимость оборудования, каждого единичного обследования, невозможность прямого измерения нейрональной активности, нельзя делать пациентам с металлическими включениями в теле (сосудистые клипсы, ушные импланты).
Регистрация функционального метаболизма мозговой коры имеет большое диагностическое значение, но не является точным показателем для динамической оценки изменений головного мозга на фоне лечения, после оперативного вмешательства.
Функциональная магнитно-резонансная томография является разновидностью классического МРТ. Разница между этими двумя похожими методиками заключается в том, что первая версия необходима для выявления параметров гемодинамики. Речь идет о проверке возможных изменений в токе крови при активации специальных зон, расположенных в головном мозге.
Обследование базируется на принципе слежения за повышенной активностью изучаемой зоны за счет учета увеличения или ослабления притока крови к определенной точке. Как только деятельность тормозит, либо наоборот – усиливается, следом изменяются параметры движения крови в исследуемом сосудистом русле.
Благодаря столь тонкой работе, получается собрать первичную информацию касательно заболеваний, относящихся к нейродегенеративных поражениям. Речь идет о психических расстройствах, вплоть до шизофрении и некоторых специфичных двигательных патологий.
Результаты исследования часто превращаются в своеобразный навигатор для последующего планирования операций по удалению мозговых новообразований онкологического характера. С помощью специфичной «карты» медики снижают риски повреждения двигательного и речевого центра во время хирургической операции, что нивелирует риски развития побочных эффектов.
Преимущества фМРТ
Развитие технологий в этом направлении захватило мир медицины приблизительно тридцать лет назад. С тех пор нейровизуализация, которую еще называют подразделением функциональной магнитно-резонансной томографии, пользуется стабильно высоким спросом. Одним из самых важным преимуществ способа числится неинвазивность. Это означает отсутствие любых болезненных ощущений во время проведения манипуляции.
Среди прочих положительных аспектов стоит выделить безопасность для испытуемого. В отличие от множества других форматов диагностики, где привлекается вредная лучевая нагрузка, здесь ее не предусмотрено.
Медики высоко ценят исследование за то, что оно способно предоставить хорошее пространственно и временное разрешение. Собранные с его помощью данные получится использовать в дальнейшем для последующих исследований. Больше всего ими интересуются медики из сферы психологии, психотерапии, психоанализа.
За счет сбора информации такого рода в последние годы научились понимать природу формирования воспоминаний, восприятия языка, способности обучаться, а также испытывать эмоции или болевые ощущения.
Если доктор назначил прохождение подобной процедуры, обязательно нужно выбирать только самые новые модели оборудования, чтобы обеспечить себя рядом преимуществ:
- повышенным качеством визуализации;
- увеличенной скоростью обследования при более развернутой финальной картине.
Ускорить процесс сбора необходимой информации получается за счет высокого напряжения магнитного поля, что сокращает время нахождения под сканером. Особенно актуальным представленный пункт покажется больным, которые страдают нейродегенеративными отклонениями, либо расстройствами психологического центра.
Помимо того что собранные сведения становятся основанием для проведения хирургического вмешательства, они нужны и для ряда других полезных целей. Речь идет о привлечении итогов тестирования для проверки текущего состояния больного. Используя информативные маркеры для контроля динамики и оценки прогрессирования нейродегенеративных недугов, получается следить за эффективностью назначенного лечения. При надобности специалист может принять решение провести коррекцию ранее установленного курса терапии, что свойственно страдающим:
- болезнью Паркинсона;
- болезнью Альцгеймера;
- психическими расстройствами.
Все перечисленное стало возможным благодаря тому, что технология научилась определять активацию определенной области головного мозга на стадии его типичного функционирования. Но одновременно с этим врач может подключать для обследования сторонние физические факторы вроде смены положения.
Как это работает?
Сами медики полноценной нейровизуализацией называют не только фМРТ, а целый комплексный подход, направленный на оценивание мозговой деятельности. Для этого нужна наглядная форма, позволяющая регистрировать особенности его прижизненной структуры вместе с отличительными чертами по функционированию. Вместо классических рентгеновских лучей предпочтение тут отдается явлению ядерно-магнитного резонанса.
Схематически устройство для улавливания картинки представляет собой томограф, где спрятан огромный электромагнит с большой мощностью. Он дислоцируется в цилиндрической трубке устройства. Среднестатистический уровень сканирования составляет напряженность поля около 3 Тесла. Это приблизительно в 50 тысяч раз больше, нежели способно предложить магнитное поле Земли.
При активации механизм начинается влияние на ядра атомов. За основу тут берется хаотичное расположение атомных ядер, которые при влиянии магнитного поля начинаются совмещаться с направлением указанного поля. Чем выше показатель силы поля, тем яснее становится согласованность.
После того как маленькие магнитные сигналы от всех ядер собираются вместе, сигнал становится более мощным, что позволяет его отследить и измерить. Для представленной методики за базу берутся водородные ядра, которые предоставляют потом визуализацию:
- серого вещества;
- белого вещества;
- спинномозговой жидкости.
С физиологической точки зрения возможность провести измерение мозговой активности объясняется реакцией кислорода при поступлении в нейроны из капиллярной сети с помощью гемоглобина. Как только активная деятельность нейронов повышается, возникает повышенный спрос на кислород. Физиологически организм отвечает на потребность повышенной дозы кислорода высокой нервной активностью.
Как проводится функциональная МРТ?
Функциональный аналог МРТ проводится немного по-другому, нежели классическое прочтение процедуры. Сначала пациента отправляют в туннель томографа, а потом попросят следовать командам лаборанта. Для этого в аппарате установлена двухсторонняя связь, чтобы было проще связаться с медперсоналом даже в непредвиденных ситуациях.
Одновременно с выполнением заданий программа производит регистрацию анатомических срезов и функциональных Т2-взвешенных изображений. Задания предусматривают чередование покоя с двигательной, умственной активностью.
Основными причинами для осуществления обследования называют:
- предоперационные подготовительные меры;
- оценку рисков осложнения после хирургического вмешательства;
- диагностирование психических аномалий;
- подготовку к инвазивному этапу изучения мозга – картирование коры.
Несмотря на существенную пользу, методика имеет несколько важных противопоказаний. Тестирование не проводится, если у пострадавшего в организме имеются вмонтированные электронные механизмы. Речь идет не только о кардиостимуляторе, но и электронных имплантатах для стабилизации деятельности среднего уха.
Также под запрет попали пациенты, у которых установлены кровоостанавливающие клипсы, либо имеются инородные металлические объекты. Еще одним противопоказанием, но уже относительного характера, числится почечная недостаточность.
Радует, что никакой специфической подготовки от пациента не требуется. Достаточно просто следовать правилам ранее изложенного инструктажа, выполняя команды лаборанта.
Специальность: врач педиатр, инфекционист, аллерголог-иммунолог .
Общий стаж: 7 лет .
Образование: 2010, СибГМУ, педиатрический, педиатрия .
Опыт работы инфекционистом более 3 лет.
Имеет патент по теме «Способ прогнозирования высокого риска формирования хронической патологии адено-тонзиллярной системы у часто болеющих детей». А также автор публикаций в журналах ВАК.
ТЕХНОЛОГИИ
Е.И. Кремнева, Р.Н. Коновалов, М.В. Кротенкова
Научный центр неврологии РАМН (Москва)
Начиная с 90-х гг. XX в., функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является одной из ведущих методик картирования функциональных зон головного мозга в виду своей неинвазивности, отсутствия лучевой нагрузки и относительно широкой распространенности. Суть данной методики заключается в измерении гемодинамических изменений в ответ на нейрональную активность (BOLD-эффект). Для успеха фМРТ-эксперимента необходимо: наличие соответствующего технического обеспечения (высокопольный МР-томо-граф, специальное оборудование для выполнения заданий), разработка оптимального дизайна исследования, постобработка полученных данных. В настоящее время методика применяется не только в научных целях, но и в практической медицине. Однако нужно всегда помнить о некоторых ограничениях и противопоказаниях, особенно при проведении фМРТ у пациентов с различной патологией. Для правильного планирования исследования и интерпретации его результатов необходимо привлечение различных специалистов: нейрорентгенологов, биофизиков, неврологов, психологов, поскольку фМРТ является мультидисциплинарной методикой.
Ключевые слова: фМРТ, BOLD-контраст, дизайн исследования, постобработка
На протяжении многих веков ученых и врачей интересовало, как функционирует человеческий мозг. С развитием научного и технического прогресса стало возможным приоткрыть завесу этой тайны. И особенно ценным стало изобретение и внедрение в клиническую практику такого неинвазивного метода, как магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ - сравнительно молодой метод: первый коммерческий 1,5 Т-томограф начал работу только в 1982 г. Однако уже к 1990 г. непрерывное техническое совершенствование метода позволило использовать его не только для исследования структурных особенностей головного мозга, но и для изучения его функционирования. В этой статье речь пойдет как раз о методике, позволяющей проводить картирование различных функциональных зон головного мозга - функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).
Основные принципы методики фМРТ_
фМРТ - методика МРТ, измеряющая гемодинамический ответ (изменение кровотока), связанный с активностью нейронов. В ее основе лежат два основных понятия: ней-роваскулярное взаимодействие и BOLD-контраст.
фМРТ не позволяет увидеть электрическую активность нейронов напрямую, а делает это опосредованно, через локальное изменение кровотока. Это возможно благодаря феномену нейроваскулярного взаимодействия - регионального изменения кровотока в ответ на активацию близлежащих нейронов. Данный эффект достигается через сложную последовательность взаимосвязанных реакций, протекающих в нейронах, окружающей их глие (астроци-ты) и эндотелии стенки сосудов, поскольку при усилении активности нейроны нуждаются в большем количестве кислорода и питательных веществ, приносимых с током крови . Методика фМРТ как раз и позволяет непосредственно оценить изменение гемодинамики.
Это стало возможным в 1990 г., когда Seiji Ogawa и его коллеги из Bell Laboratories (США) предложили использовать BOLD-контраст для исследования физиологии мозга при помощи МРТ . Их открытие положило начало эре
современной функциональной нейровизуализации и легло в основу большинства фМРТ исследований. BOLD-конт-раст (дословно - blood-oxygenation-level dependent, зависящий от уровня оксигенации крови) - это различие МР-сиг-нала на изображениях c использованием градиентных последовательностей в зависимости от процентного содержания дезоксигемоглобина . Дезоксигемоглобин имеет отличные от окружающих тканей магнитные свойства, что при сканировании приводит к локальному возмущению магнитного поля и понижению сигнала в последовательности «градиентное эхо». При усилении кровотока в ответ на активацию нейронов дезоксигемоглобин вымывается из тканей, а на смену ему приходит оксигенированная кровь, по магнитным свойствам схожая с окружающими тканями. Тогда возмущение поля уменьшается, и сигнал не подавляется - и мы видим его локальное усиление (рис. 1А).
Таким образом, суммируя все вышесказанное, общую схему фМРТ можно представить следующим образом: активация нейронов в ответ на действие раздражителя и увеличение их метаболических потребностей приводит к локальному усилению кровотока, регистрируемого при проведении фМРТ в виде BOLD-сигнала - произведения нейрональной активности и гемодинамического ответа (рис. 1Б).
рис. 1: А - схематическая иллюстрация ВОШ-контраста в опыте Ода\га при изменении процентного содержания кислорода в крови крыс; при вдыхании обычного воздуха (21% кислорода), в коре определяются участки понижения сигнала (в верхней части рисунка), соответствующие сосудам с повышенным содержанием дезоксигемоглобина; при вдыхании чистого кислорода, отмечается однородный МР-сигнал от коры головного мозга (в нижней части рисунка); Б - общая схема формирования ВОШ-сигнала
Планирование эксперимента
Для проведения фМРТ исследования необходимо наличие высокопольного МР-томографа (величина индукции магнитного поля - 1,5 Т и выше), различное оборудование для проведения заданий при сканировании (наушники, видеоочки, проектор, различные пульты и джойстики для обратной связи с испытуемыми т. п.). Немаловажный фактор - готовность исследуемого к сотрудничеству.
Схематично сам процесс сканирования (на примере зрительной стимуляции) выглядит следующим образом (рис. 2): испытуемый находится в томографе; через специальную систему зеркал, закрепленную над головой, ему доступны изображения, выводимые через видеопроектор на экран. Для обратной связи (если это подразумевается в задании) пациент нажимает кнопку на пульте. Подача стимулов и контроль выполнения задания осуществляется при помощи консоли в пультовой.
Задания, которые выполняет испытуемый, могут быть различными: зрительными, когнитивными, моторными, речевыми и т. д., в зависимости от поставленных целей. Существуют два основных типа представления стимулов в задании: в виде блоков - блоковый дизайн, и в виде отдельных разрозненных стимулов - дискретный дизайн (рис. 3). Также возможна комбинация обоих этих вариантов - смешаный дизайн.
Наиболее широко распространенным, особенно для двигательных заданий, является блоковый дизайн, когда одинаковые стимулы собраны в блоки, чередующиеся между собой. Примером служит задание сжимать резиновый мячик (каждое сжимание - это и есть отдельный стимул) в течение определенного отрезка времени (в среднем - 20-30 с), чередующееся с аналогичными по продолжительности периодами покоя. Подобный дизайн обладает наибольшей статистической силой, поскольку происходит суммирование отдельных BOLD-сигналов. Однако он, как правило, предсказуем для пациентов и не позволяет оценить реакцию на отдельный стимул, а потому не годится для некоторых заданий, в частности, для когнитивных.
рис. 2: Схема фМРТ-эксперимента (по материалам ресурса http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, с изменениями)
Блоковый
Дискретный (event-related)
А 11 i А Д1 iil iiitU I I,
рис. 3: Основные типы дизайнов фМРТ-исследований
Функциональная магнитно-резонансная томография
Для этого существует дискретный дизайн, когда стимулы подаются в хаотичном порядке через разные промежутки времени. Например, испытуемому с арахнофобией показывают нейтральные изображения (цветы, здания и проч.), среди которых время от времени появляются изображения паука, что позволяет оценить активацию головного мозга в ответ на неприятные стимулы. При блоковом дизайне это было бы сложно: во-первых, исследуемый знает, когда появится блок, и уже заранее готовится к этому, а во-вторых, если в течение длительного времени предъявлять один и тот же стимул, реакция на него притупляется . Именно дискретный дизайн может использоваться при фМРТ в качестве детектора лжи или в маркетинговых исследованиях, когда добровольцам показывают различные варианты продукции (ее упаковки, формы, цвета) и наблюдают за их неосознанной реакцией.
Итак, мы выбрали дизайн задания, провели сканирование. Что же мы получаем в итоге? Во-первых, это 4D-серия функциональных данных в последовательности «градиентное эхо», представляющая собой многочисленные повторные сканирования всего объема вещества головного мозга в течение выполнения задания. А во-вторых, 3D-объем анатомических данных высокого разрешения: например, 1 х 1 х 1 мм (рис. 4). Последний необходим для точного картирования зон активации, поскольку функциональные данные имеют низкое пространственное разрешение.
Постобработка данных_
Изменения МР-сигнала в зонах активации головного мозга при различных состояниях составляют всего 3-5%, они неуловимы для человеческого глаза. Поэтому далее полученные функциональные данные подвергаются статистическому анализу: строится кривая зависимости интенсивности МР-сигнала от времени для каждого воксела изображения при различных состояниях - экспериментальном (подача стимула) и контрольном. В результате мы получаем статистическую карту активации, совмещенную с анатомическими данными.
Но до того как непосредственно провести подобный анализ, необходимо подготовить полученные по окончании сканирования «сырые» данные и снизить вариабельность результатов, не связанную с экспериментальной задачей . Алгоритм подготовки представляет собой многоэтапный процесс, и он очень важен для понимания возможных неудач и ошибок при интерпретации полученных результатов. В настоящее время существует различное программ-
Щ -.V w <# %>
40 4»r ч® Ф W
рис. 4: Серии функциональных (А) и анатомических (Б) данных, полученных по окончании сканирования
ное обеспечение для предварительной обработки полученных данных, выпускаемое как производителями МР-томо-графов, так и независимыми исследовательскими фМРТ-лабораториями. Но, несмотря на различия используемых методов, их названий и представления данных, все этапы подготовки сводятся к нескольким основным шагам.
1. Коррекция движения головы испытуемого. При выполнении заданий это неизбежно, несмотря на использование различных приспособлений для фиксации головы (маски, зажимы на головной катушке и проч.). Даже минимальное движение может приводить к выраженному искусственному изменению интенсивности МР-сигнала между последовательными объемами данных, особенно если смещение головы связано с выполнением экспериментального задания. В этом случае сложно различить «истинную» BOLD-активацию от «искусственной» - возникающей вследствие движения исследуемого (рис. 5).
Общепринято принимать за оптимальное смещение головы не более чем на 1 мм . При этом смещение перпендикулярно плоскости сканирования (направление «голова - ноги») существенно хуже для корректной статистической обработки результатов, чем смещение в плоскости сканирования. На данном этапе используется алгоритм трансформации твердого тела (rigid-body transformation) - пространственная трансформация, при которой изменяются только позиция и ориентация объекта, а его размеры или форма постоянны . На практике обработка выглядит следующим образом: выбирается референтый (как правило, первый) функциональный объем изображений, а все последующие функциональные объемы математически совмещаются с ним, подобно тому, как мы выравниваем бумажные листы в стопке.
2. Корегистрация функциональных и анатомических данных.
Различия в положении головы исследуемого приводятся к минимуму. Также осуществляются компьютерная обработка и сопоставление анатомических данных высокого разрешения и функциональных - очень низкого, для возможности последующей локализации зон активации.
рис. 5: Пример смещения головы пациента во время сканирования при выполнении моторной парадигмы. В верхней части рисунка - график движения головы испытуемого в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: средняя кривая отражает смещение пациента по оси z (направление «голова -ноги»), и она выраженно отклоняется при начале выполнения движения и по его окончании. В нижней части - статистические карты активации того же самого испытуемого без коррекции движения. Определяются типичные артефакты от движения в виде полуколец по краю вещества мозга
Кроме того, минимализируются различия, связанные с различными режимами сканирования (обычно для функциональных данных - это режим «градиентное эхо», для анатомических - Т1). Так, режим градиентное эхо может дать некоторое растяжение изображения по одной из осей по сравнению со структурными изображениями высокого разрешения .
3. Пространственная нормализация. Известно, что форма и размеры человеческого мозга значительно варьируют. Чтобы сопоставить данные, полученные от разных пациентов, а также обработать всю группу в целом, применяют математические алгоритмы: так называемое афинное преобразование (affine transformation). При этом происходит трансформация изображений отдельных регионов мозга - растяжение, сжатие, вытягивание и проч. - с последующим приведением структурных данных к единой пространственной системе координат .
В настоящее время наиболее распространенными в фМРТ являются две системы пространственных координат: система Талераша и система Монреальского неврологического института. Первая была разработана французским нейрохирургом Жаном Талерашем (Jean Talairach) в 1988 г. на основании посмертных измерений мозга 60-летней француженки. Тогда были даны координаты всех анатомических областей мозга относительно референтной линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры . В этом стереотаксическом пространстве может быть размещен любой мозг, и зоны интереса могут быть описаны при помощи трехмерной системы координат (x, y, z). Недостаток подобной системы - это данные всего по одному мозгу. Поэтому более популярной является система, разработанная в Монреальском неврологическом институте (MNI) на основе суммарного обсчета данных Т1 изображений 152 канадцев.
Хотя в обеих системах отсчет ведется от линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры, координаты этих систем не идентичны, особенно по мере приближения к конвекситальным поверхностям мозга. Это нужно иметь в виду при сопоставлении полученных результатов с данными работ других исследователей.
Следует оговориться: данный этап обработки не применяется при предоперационном картировании функциональных зон активации в нейрохирургии, поскольку цель фМРТ в подобной ситуации - точно оценить месторасположение данных зон у конкретного пациента.
4. Сглаживание. Пространственная нормализация никогда не бывает точной, поэтому гомологичные регионы, а, следовательно, и зоны их активации, не соответствуют друг другу на 100%. Чтобы достичь пространственного наложения аналогичных зон активации у группы испытуемых, улучшить соотношение «сигнал - шум» и таким образом усилить достоверность данных, применяется гауссова функция сглаживания. Суть данного этапа обработки в «размывании» зон активации каждого исследуемого, вследствие чего увеличиваются участки их перекрывания при групповом анализе. Недостаток - теряется пространственное разрешение.
Теперь, наконец, можно непосредственно перейти к статистическому анализу, в результате которого мы получаем данные о зонах активации в виде цветных карт, наложенных на анатомические данные. Те же самые данные могут
Функциональная магнитно-резонансная томография
Statistics: 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
рис. 6: Пример представления результатов статистической постобработки. Слева - зоны активации при выполнении двигательной парадигмы (поднимание - опускание правого указательного пальца), совмещенные с объемной реконструкцией головного мозга. Справа - статистические данные для каждой зоны активации
быть представлены в цифровом формате с указанием статистической значимости зоны активации, ее объема и координат в стереотаксическом пространстве (рис. 6).
Применение фМРТ_
В каких же случаях проводят фМРТ? Во-первых, в чисто научных целях: это исследование работы нормального мозга и его функциональной асимметрии. Данная методика возродила интерес исследователей к картированию функций головного мозга: не прибегая к инвазивным вмешательствам можно увидеть, какие зоны головного мозга отвечают за тот или иной процесс. Пожалуй, наибольший прорыв был сделан в понимании высших когнитивных процессов, включая внимание, память и исполнительные функции. Подобные исследования позволили применять фМРТ в практических целях, далеких от медицины и ней-ронаук (в качестве детектора лжи, при маркетинговых исследованиях и др.).
Кроме того, фМРТ пытаются активно применять в практической медицине. В настоящее время данная методика широко используется в клинической практике для предоперационного картирования основных функций (двигательных, речевых) перед нейрохирургическими вмешательствами по поводу объемных образований головного мозга или некурабельной эпилепсии. В США даже существует официальный документ - практическое руководство, составленное Американским рентгенологическим колледжем и Американским обществом нейрорадиологии, где подробно расписана вся процедура .
Исследователи также пытаются внедрить фМРТ в рутинную клиническую практику при различных неврологических и психических заболеваниях. Основной целью многочисленных работ в данной области является оценка изменения функционирования мозга в ответ на повреждение того или иного его участка - выпадение и (или) переключение зон, их смещение и т.п., а также динамическое наблюдение перестройки зон активации в ответ на проводимую медикаментозную терапию и (или) реабилитационные мероприятия.
В конечном счете, фМРТ-исследования, проводимые на больных различных категорий, могут помочь определить прогностическое значение различных вариантов функциональной перестройки коры для восстановления нарушенных функций и выработать оптимальные алгоритмы лечения.
Возможные неудачи исследования_
При планировании фМРТ всегда следует иметь в виду различные противопоказания, ограничения и возможные
источники ошибок при интерпретации данных, получаемых как для здоровых добровольцев, так и для пациентов.
К ним относятся:
Любые факторы, воздействующие на нейроваскулярное взаимодействие и гемодинамику и, как следствие, на BOLD-контраст; поэтому всегда нужно учитывать возможные изменения церебрального кровотока, например, из-за окклюзий или выраженных стенозов магистральных артерий головы и шеи, приема вазоактивных препаратов; известны и факты снижения или даже инверсии BOLD-ответа у некоторых пациентов со злокачественными глиомами вследствие нарушения авторегуляции ;
Наличие у исследуемого противопоказаний, общих для любого МРТ-исследования (кардиостимуляторы, клаустрофобия и проч.);
Металлоконструкции в области лицевого (мозгового) отделов черепа (не снимаемые зубные протезы, клипсы, пластины и т. п.), дающие выраженные артефакты в режиме «градиентное эхо»;
Отсутствие (затруднение) сотрудничества со стороны испытуемого во время выполнения задания, связанное как с его когнитивным статусом, так и со снижением зрения, слуха и т. п., а также с отсутствием мотивации и должного внимания к выполнению задания;
Выраженное движение обследуемого во время выполнения заданий;
Неправильно спланированный дизайн исследования (выбор контрольного задания, продолжительность блоков или всего исследования и проч.);
Тщательная разработка заданий, что особенно важно для клинической фМРТ, а также при исследовании группы людей или одного и того же испытуемого в динамике для возможности сравнения получаемых зон активации; задания должны быть воспроизводимы, то есть одинаковыми на протяжении всего периода исследования и доступны для выполнения всеми испытуемыми; одним из возможных решений для пациентов, которые самостоятельно не могут выполнять связанные с движением задания, является использование пассивных парадигм с применением различных устройств для приведения конечностей в движение;
Неправильный выбор параметров сканирования (время эхо - ТЕ, время повторения - TR);
Неверно заданные параметры постобработки данных на различных этапах;
Ошибочная интерпретация полученных статистических данных, неверное картирование зон активации.
Заключение
Несмотря на приведенные выше ограничения, фМРТ является важной и многогранной современной методикой нейровизуализации, которая сочетает в себе преимущества высокого пространственного разрешения и неинвазивности с отсутствием необходимости внутривенного контрастного
усиления и воздействия радиации. Однако данная методика очень сложна, и для успешного выполнения задач, поставленных перед работающим с фМРТ исследователем требуется мультидисциплинарный подход - привлечение к исследованию не только нейрорентгенологов, но и биофизиков, нейрофизиологов, психологов, логопедов, врачей клинической практики, математиков. Только в этом случае возможно использование всего потенциала фМРТ и получение действительно уникальных результатов.
Список литературы
1. Ashburner J., Friston K. Multimodal image coregistration and partitioning - a 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. Effect of age and tumor grade on BOLD functional MR imaging 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 K.J., Williams S., HowardR. et al. Movement-related effects in fMRI time-series. Magn. Reson. Med. 1996; 35: 346-355.
6. Glover, G.H., Lai S. Self-navigated spiral fMRI: Interleaved versus single-shot. Magn. Reson. Med. 1998; 39: 361-368.
7. Haller S, Bartsch A.J. Pitfalls in fMRI. Eur. Radiol. 2009; 19: 2689-2706.
8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J. Magn. Reson Imaging 2004; 2: 160-167.
9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. Functional magnetic resonance imaging. Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.
10. Ogawa S., Lee T.M. Magnetic resonance imaging of blood vessels at high fields: In vivo and in vitro measurements and image simulation. Magn. Reson. Med. 1990; 16 (1): 9-18.
