Отдел лучевой диагностики: отделение КТ, МРТ. Функциональная мрт головного мозга Мрт речевых зон

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.

Магнитно-резонансная томография незаменима в диагностике множества заболеваний и позволяет получить детальную визуализацию внутренних органов и систем.

Отделение МРТ клиники НАКФФ в Москве оснащено высокопольным томографом Siemens MAGNETOM Aera с открытым дизайном туннеля. Мощность томографа составляет 1,5 Тесла. Оборудование позволяет проводить обследование людям весом до 200 кг, ширина туннеля аппарата (апертура) - 70 см. В нашей клинике Вы можете сделать МРТ позвоночника, суставов, внутренних органов, в том числе с введением контрастного вещества, а также пройти магнитно-резонансную томографию головного мозга. Стоимость диагностики доступная, при этом ценность полученных результатов невероятно высока. Всего выполняется более 35 видов магнитно-резонансных исследований.

После МРТ диагностики врач проводит беседу с пациентом и выдает диск с записью. Заключение передается посредством электронной почты.

Подготовка

Большинство магнитно-резонансных исследований не требуют специальной подготовки. Однако, например, для проведения МРТ брюшной полости и органов малого таза рекомендуется воздерживаться от еды и питья за 5 часов до исследования.

Перед посещением центра магнитно-резонансной томографии (в день исследования) необходимо надеть удобную одежду без каких-либо металлических элементов.

Противопоказания

Противопоказания к проведению магнитно-резонансной томографии связаны с тем, что во время исследования образуется мощное магнитное поле, способное влиять на электронику, металлы. Исходя из этого, абсолютным противопоказанием к МРТ является наличие:

кардиостимулятора;
нейростимулятора;
электронного имплантата среднего уха;
металлических клипс на сосудах;
инсулиновых помп.

Установленный кардиостимулятор, нейростимулятор, электронный имплантат среднего уха, металлические клипсы на сосудах, инсулиновые помпы.

Ограничения при проведении

Если у Вас установлены крупные металлические конструкции (например, эндопротез сустава), понадобится документ о возможности и безопасности выполнения МРТ. Это может быть сертификат на имплантат (как правило, выдается после проведенной операции) или справка от хирурга, выполнившего вмешательство. Большинство подобных конструкций изготавливаются из медицинского титана, который не препятствует проведению процедуры. Но, в любом случае, перед исследованием расскажите врачу отделения лучевой диагностики о наличии инородных предметов в организме - коронок в полости рта, пирсинге, и даже татуировках (в последних могли быть использованы металлосодержащие краски).

Цена магнитно-резонансной томографии зависит от исследуемой части тела и необходимости проведения дополнительных процедур (например, введения контраста). Так МРТ головного мозга будет стоить дороже томографии одной кисти руки. Запишитесь на исследование по телефону в Москве: +7 495 266-85-01 или оставьте заявку на сайте.

Вместе с МРТ спектроскопией исследование выявляет все особенности метаболизма патологических образований.

Принципы функциональной МРТ головного мозга

Технические особенности функционального исследования МРТ мозга

Что показывает ФМРТ

Будущее функциональной диагностики МРТ в медицине

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.

Функциональная МРТ головного мозга с 1990-х годов прошлого века получила широкое распространение. Внедрение методики способствовало выявлению некоторых злокачественных образований (опухолей), которые другими методами выявить сложнее. Особенностями функциональных магнитно-резонансных исследований мозговой ткани является оценка изменений кровоснабжения вследствие изменения нейронной стимуляции спинного и головного мозга. Возможность получения качественных результатов при МР-томографии обусловлена усилением притока крови к области мозга, которая активно действует.

Специалисты изучили нормальную активность коры головного мозга, состояние ткани при опухолях, что позволило провести дифференциальную диагностику патологии. Отличия МР-сигнала в норме и при патологических состояниях делают нейровизуализацию незаменимым диагностическим методом.

Нейровизуализация стала разрабатываться в 1990-ом году, когда функциональная МРТ стала активно использоваться для диагностики образований головного мозга вследствие высокой достоверности, отсутствия лучевого облучения пациента. Единственным неудобством метода является необходимость длительного пребывания пациента на диагностическом столе.

Морфологические основы функциональной МРТ головного мозга

Глюкоза не является важным субстратом для работы головного мозга, но при ее отсутствии нарушается функционирование нейронных каналов, которые обеспечивают физиологическую работу мозговой ткани.

Глюкоза поступает к клеткам по сосудам. Одновременно в мозг попадает кислород, связанный молекулой гемоглобина эритроцитов. Молекулы кислорода участвуют в процессах тканевого дыхания. После потребления кислорода мозговыми клетками возникает окисление глюкозы. Биохимические реакции при тканевом дыхании способствуют изменению магнетизации тканей. Индуцированный МРТ-процесс регистрируется программным обеспечением, что позволяет получить трехмерное изображение с тщательной прорисовкой каждой отдельной детали.

Изменение магнитных свойств крови возникает практически при всех злокачественных образованиях головного мозга. Избыточный приток крови определяется программным обеспечением при сравнении с нормальными величинами. Физиологически прослеживается разный МР-сигнал от поясной коры, таламуса, базальных ганглиев.

Низкий поток прослеживается в париетальной, латеральной, лобной доле. Изменение микроциркуляции данных областей сильно изменяет чувствительность сигнала.

Функциональная диагностика МРТ зависит от состояния и количества гемоглобина в исследуемой области. Молекула вещества может содержать кислород или его альтернативные заменители. Под действием сильного магнитного поля происходит колебание кислорода, что искажает качество сигнала. Намагниченность канала приводит к быстрому полураспаду кислорода. Воздействие сильного магнитного поля усиливает период полураспада вещества.

На основе информации можно сделать вывод относительно более высокого качества МР-сигнала в областях мозга, которые насыщены кислорода. Злокачественные мозговые образования имеют густую сосудистую сеть, поэтому хорошо визуализируются на томограммах. Для качественных результатов интенсивность магнитного поля должно быть выше 1,5 Тесла. Последовательность импульсов приводит к повышению полураспада.

Активность МР-сигнала, регистрируемого от активности нейронов, носит название «гемодинамический ответ». Термин определяет скорость нейронных процессов. Физиологическое значение параметра – 1-2 секунды. Данный интервал недостаточен для качественной диагностики. Чтобы получить хорошую визуализацию при объемных образованиях мозга магнитно-резонансная диагностика проводится с дополнительным стимулированием глюкозой. После ее введения пик активности наблюдается через 5 секунд.

Функциональная диагностика МРТ при раке мозга

Применение МРТ в нейрорадиологии расширяется. Для диагностики опухолей головного и спинного мозга применяется не только функциональное исследование. В последнее время активное распространение получили современные способы:

Перфузионно-взвешенная;
Диффузионная;
Контрастно-насыщенное исследование (BOLD).

Контрастирование BOLD после насыщения кислородом помогает провести диагностику активности сенсорной, моторной коры, очагов речи Вернике и Брока.

Способ базируется на регистрации сигнала после специфической стимуляции. Функциональная диагностика МРТ при сравнении с другими способами (ПЭТ, эмиссионная КТ, электроэнцефалография) Функциональное МРТ помогает получить картинку с пространственным разрешением.

Для понятия сути графической картины мозга при магнитно-резонансной томографии проводим изображения мозговой ткани после МРТ после чтения «сырых» изображений (а), совмещения нескольких томограмм (б).

Двигательная активность мозговой коры после использования способа корреляционных коэффициентов позволяет получить пространственное изображение результатов с визуализацией зон повышенной магнитной активности. Область Брока при функциональной МРТ определяется после обработки «сырых» томограмм. Стимуляция корреляционных коэффициентов помогает генерировать график соотношения интенсивности сигнала в определенном временном промежутке.

На следующих томограммах прослеживается картина у пациента при апластической эпендимоме – опухолью с повышенным смещением возбудимости в зоне, которая отвечает за активность функциональной коры мозга.

График показывает активные области, в которых локализуется злокачественное новообразование. После получения данных томограмм для иссечения патологической области была проведена субтотальная резекция.

На следующих МР-томограммах изображена глиобластома. Функциональная диагностика позволяет качественно визуализировать данное образование. В данной области располагает зона, отвечающая за активность пальцев правой руки. На изображениях визуализируется усиление активности в областях после стимуляции глюкозой. Функциональная магнитно-резонансная диагностика при глиобластоме в данном случае позволила точно визуализировать локализацию, размеры образования. Расположение рака в моторной коре приведет к отказу движений пальцев правой руки при возникновении атипичных клеток в коре головного мозга.

При некоторых образованиях функциональная МРТ головного мозга показывает несколько десятков разных изображений, возникающих вследствие динамического изменения МР-сигнала с искажением до 5%. При таком разнообразии сложно установить правильность расположения патологического образования. Для исключения субъективности зрительной оценки требуется программная обработка «сырых» снимков, полученная с использованием статистических способов.

Для получения качественных результатов при функциональной диагностике МРТ в сравнении с традиционным аналогом требуется помощь пациента. При тщательной подготовке повышается метаболизм глюкозы и кислорода, что снижает количество ложноположительных результатов, артефактов.

Высокое техническое оснащение магнитно-резонансных томографов позволяет улучшить картинку.

Самый частый вариант применения функциональной магнитно-резонансной томографии – это визуализация основных зон активности коры головного мозга – зрительной, речевой, моторной.

Функциональное МРТ исследование головного мозга – клинические эксперименты

Зрительная стимуляция корковых зон с помощью функционального МРТ по методу «J.Belliveau» предполагает зрительную стимуляцию с использованием болюстного контрастирования препаратом гадолинием. Подход позволяет регистрировать падение эхо-сигнала вследствие разной чувствительности между контрастом, проходящим по сосудам и окружающим тканям.

Клинические исследования установили, что зрительная стимуляция корковых зон на свету и в темноте сопровождается разницей активности примерно на 30%. Такие данные получены при обследовании на животных.

Эксперименты были основаны на методику определения сигнала, полученного от дезоксигемоглобина, обладающего парамагнитными способностями. На протяжении первых 5 минут после стимулирования мозговой активности глюкозой активируется процесс анаэробного гликолиза.

Стимуляция приводит к повышению перфузионной активности нейронов, так как микроциркуляция после поступления глюкозы существенно усиливается за счет падения концентрации дезоксигемоглобина – вещества, переносящего углекислый газ.

На Т2-взвешенных томограммах прослеживается увеличение активности сигнала – методика получила название BOLD-контрастирование.

Такая методика функционального контрастирования не является совершенной. При планировании нейрохирургических операций на опухолях требуется проведение обычного и функционального исследования.

Сложности функциональной магнитно-резонансной томографии заключаются в необходимости пациента выполнять активирующие действия. Для этого через переговорное устройство оператор передает задание, которое человек должен сделать с особой тщательностью.

Тренировку пациента необходимо проводить до функционального МРТ исследования. Заранее требуется умственный покой, подготовка двигательной активности.

Статистическая обработка результатов при правильном выполнении позволяет тщательно обследовать «сырые» томограммы, составлять на их основе трехмерное изображение. Для грамотной оценки значений нужно проводить не только структурную, но и функциональную оценку состояния коры головного мозга. Результаты обследования оцениваются одновременно нейрохирургом и неврологом.

Внедрению МРТ с функциональными пробами в массовую медицинскую практику не позволяют ограничения:

1. Высокие требования к томографу;
2. Отсутствие стандартизированных разработок относительно заданий;
3. Появление ложных результатов, артефактов;
4. Выполнение человеком непроизвольных движений;
5. Наличием в теле металлических предметов;
6. Потребность в дополнительных звуковых и визуальных стимуляторах;
7. Высокая чувствительность металлов к эхо-планарным последовательностям.

Перечисленные противопоказания ограничивают распространение исследования, но их можно устранить путем тщательной разработки рекомендаций к МРТ.

Основные цели проведения функционального магнитно-резонансной томографии:

Анализ локализации патологического очага для прогнозирования хода хирургического вмешательства при опухоли, оценки функциональной активности;
Планирование краниотомии в областях на удалении от зон основной активности мозга (зрительная, речевая, моторная, чувствительная);
Выбор группы людей для инвазивного картирования.

Функциональные исследования существенно коррелируют с прямой стимуляцией корковой активности мозговой ткани специальными электродами.

Максимальный интерес представляет функциональная МРТ для российских врачей, так как картирование в нашей стране только начинает развиваться. Для планирования оперативной активности магнитно-резонансное исследование с функциональными пробами представляет большой интерес.

Таким образом, функциональные исследования МРТ в нашей стране находятся на уровне практических проб. Частое использование процедуры наблюдается при супратенториальных опухолях, когда МРТ исследование является необходимым дополнением предоперационного этапа.

В заключение выделим современные аспекты развития технологии «мозг-компьютер». На основе данной технологии разрабатывается «компьютерный симбиоз». Сочетание электроэнцефалографии и МРТ позволяет создать полноценную картинку функционирования головного мозга. С помощью наложения одного исследования на другое получается качественная картинка, указывающая на соотношение анатомических и функциональных особенностей работы нейронов.

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.