Физика визуализации изображения в медицине

Применение метода

Для первых экспериментов с фMPT использовали тот известный факт, что световая стимуляция мерцающим экраном или изменяющимся шахматным узором приводит к значительным изменениям перфузии. Это послужило хорошим инструментом для создания новых последовательностей.

Между тем, было проведено несколько исследований, которые привели к новому пониманию нейрокогнитивных процессов. Кроме активации первичной зрительной коры, была продемонстрирована активация связанных (ассоциированных) областей при проведении многочисленных тестов когнитивной обработки движения, текстуры, цвета, распознавания объектов, звука, тренировки памяти и др. Успешно были проведены различные эксперименты по активации двигательной коры. Исследовали активацию мозга при обработке информации на различных языках. Помимо активации коры головного мозга, было показано вовлечение коры мозжечка при выполнении обучающих заданий. Кроме того, была обнаружена даже субкортикальная активация, например в коленчатом теле (при зрительной стимуляции).

ФМРТ можно  использовать также для распознавания  мыслей. В эксперименте с точностью 72-90 % фМРТ смогла установить, какой набор картинок смотрит испытуемый. Скоро, по мнению авторов исследований, благодаря этой технологии можно будет установить, что именно видит перед собой испытуемый. Эту технологию также можно будет использовать для визуализации снов, раннего предупреждения болезней головного мозга, создания интерфейсов для парализованных людей для общения с окружающим миром, маркетинговые рекламные программы и борьба с терроризмом и преступностью.

К сожалению, на современных высокопольных томографах (1,5 Тл и 3,0 Тл), на которых проводят фMPT-исследования, BOLD-томография имеет слишком низкие чувствительность и отношение сигнал/шум. Изменения интенсивности сигнала, связанные с активацией кровотока в коре головного мозга, немногим отличаются от уровня шума, поэтому необходимы многочисленные дополнительные методики обработки сигнала.

В настоящее  время ряд исследователей - после первых опубликованных данных, полученных Белливью и соавт. в 1990 г., - возвращаются к изучению изменений гемодинамики в коре головного мозга при помощи введения экзогенных контрастных средств.

Рис. 15. Функциональная томограмма.

Методика проведения фМРТ в лечебных учреждениях

Ход обычного фМРТ-обследования в значительной степени отличается от стандартной МРТ. В процессе получения изображений пациенту необходимо выполнять так называемые активирующие задания в соответствии с командами проводящего обследования, подаваемыми через переговорное устройство. В связи с этим принципиальное значение имеет тщательное объяснение активирующего задания и тренировка пациента до начала обследования и после помещения в МР-томограф. Вначале производят одну сканограмму с высоким разрешением, которую в дальнейшем используют как контроль. Далее производится регистрация анатомических изображений и функциональных Т2*-взвешенных изображений во время выполнения обследуемым активирующего задания, которое заключается в чередовании фаз активности, двигательной или умственной, и покоя. После окончания обследования производится статистическая обработка "сырых" данных (порядка 800–1000 изображений) путем расчета корреляционных коэффициентов или значений z (с вероятностью более 99,9%) с предварительной проверкой на наличие артефактов движения.

Путем сравнения  полученных сканограмм, снятых при наличии и отсутствии картинки, можно определить, какой участок мозга был активирован стимулом. После окончания исследования, сканограммы подвергается математической трансформации (преобразование Фурье) для реконструкции полученных данных в изображения, похожие на реальный вид головного мозга. С помощью специальных фильтров удаляются погрешности изображения, связанные, например, с артефактами движения, и полученные данные подвергаются статистическому анализу. Поскольку активированный участок головного мозга на сканограмме выглядит более ярким, для улучшения восприятия ему присваивается определенный цвет (псевдоцветное картирование) и этот цветной участок наносится на контрольную сканограмму. На основе полученного плоскостного изображения возможна 
3-D реконструкция в трехмерное изображение, позволяющее оценить топографию и размеры активированного участка головного мозга под различными углами.

Для трактовки  полученных результатов необходимо знание не только структурной, но и  функциональной организации головного  мозга. Результаты исследований пациентов  должны обсуждаться совместно с  лучевым диагностом и неврологом или нейрохирургом.

Артефакты функциональной МРТ

• артефакты движения

Движения головы испытуемого являются основной проблемой при проведении фМРТ, что приводит к потере функциональных данных. Чаще этот артефакт встречается при проведении моторных проб нижних конечностей.

Для уменьшения артефактов движения можно использовать фиксацию головы с помощью различных подкладок и крепежей, пациент должен быть проинструктирован в отношении необходимости лежать спокойно, с закрытыми глазами и не шевелясь, совершать глотательные движения только в момент подачи команд.

Также для  уменьшения артефактов движения используются программные методы, например технология визуализации PROPELLER™ HD - современной технологии, сочетающей в себе преимущества ИП «быстрое спин-эхо» (FSE) и радиального сбора данных и позволяющей создавать высококачественные T2-взвешенные и диффузно-взвешенные изображения головного мозга. ИП PROPELLER HD повышает отношение контрастность/шум на 10-30 %, значительно снижает искажения диффузно-взвешенных изображений на границах ткани с воздухом или металлом и ощутимо уменьшает зависимость качества изображений от движения пациента . В программное обеспечение PROPELLER HD встроено два типа подавления артефактов движения. Это ПО может обнаруживать поворот и перемещение в одной и той же плоскости и устранять их влияние. Если программное обеспечение не может внести необходимую поправку при очень сильном движении (в частности, при движении через плоскость сканирования), данные, искаженные движением, полностью удаляются.

• артефакты магнитной восприимчивости

Понижают качество изображений на границах между мягкими тканями и костями, воздухом или металлами. Для уменьшения влияния магнитной восприимчивости выполняется фазовая коррекция на основе FSE. Это позволяет получить изображения практически без артефактов восприимчивости, которые обычно проявляются у пациентов с большим количеством зубных протезов и других металлических элементов рядом с областью интереса

• артефакты от химического сдвига.

Поскольку ширина полосы частот, приходящейся на один пиксел в фазово-кодирующем направлении, меньше величины химического сдвига между водой и жиром.

• геометрические искажения
• ложно-положительная активация в области
• артефакты-призраки
• артефакты после выполнения краниотомии, к которым эхо планарные последовательности, используемые в ФМРТ, высокочувствительны

Сравнительная характеристика метода

Функциональная МРТ, в отличие от электроэнцефалографии или магнитоэнцефалографии, не производит непосредственной оценки активности нейронов.  Данный метод вытесняет ПЭТ, так как ему не нужен изотоп и его временное разрешение выше, чем у ПЭТ (сотни миллисекунд). ФMPT на основе BOLD-контраста является относительно новой методикой визуализации, позволяющей исследовать деятельность коры головного мозга, осуществлять картирование функционально-специализированных зон. Метод основан на регистрации региональных гемодинамических изменений, возникающих при активации коры головного мозга в ответ на специфическую стимуляцию (чередование фаз двигательной, мыслительной или иной активности пациента и покоя). Сопоставление карт активации и стандартных томограмм исследуемой области позволяет провести структурно-функциональные параллели.

Основными характеристиками данного метода, отличающими его  от других методик картирования коры, таких как электроэнцефалография, магнитоэнцефалография, однофотонно-эмиссионная компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография и прямая корковая стимуляция электродами, являются безопасность, неинвазивность, высокое пространственное и временное разрешение и осуществимость в клинических условиях.

 

7.Заключение

Преимущества фМРТ томографии:

Оценка головного мозга проводиться в реальном времени как в условиях его функционального покоя, так и при выполнении пациентом специально разработанных заданий, направленных на активацию отвечающих только за определенную функцию, специфических областей мозга

- неинвазивность и относительная безопасность метода из-за отсутствия необходимости в инъекционном введении радиоактивных изотопов;

- возможность многократных повторных исследований;

- короткая общая продолжительность сканирования;

- высокая (обычно 1.5×1.5 мм) разрешающая способность, хотя разрешение менее 1мм также возможно;

- высокое пространственное и временное разрешение;

- возможность исследования глубоких отделов головного мозга;

- возможность исследования когнитивных процессов (внимание, воображение и т п);

- длительность исследования;

- замена прямой стимуляции коры электродами(результаты коррелируют в 97% исследований).

Недостатки фМРТ томографии:

- трудность или даже невозможность стандартизации активирующих заданий (учитывая различный уровень мотивации пациентов при выполнении заданий, что неизбежно отражается на уровне сигнала);

- высокие требования к МР-томографу;

- возможность возникновения артефактов и ложноположительных результатов, связанных с непроизвольными движениями пациента или наличием разного рода металлических объектов, и потребность в технических устройствах для представления таких видов задании, как визуальные и звуковые;

- косвенная оценка нейрональной активации головного мозга через степень гемодинамического ответа на нее;

- ограничение специфичности оценки нейрональной активации (гемодинамический ответ отражает множество энергозависимых процессов, в том числе внутрисинаптическую нейрональную активацию, постсинаптическую деполяризацию). Хотя большинство межнейрональных взаимодействий являются по своей природе возбуждающими, часть обладает и ингибирующими влияниями. Активация ингибирующих нейронов требует меньше энергии, но и этого может быть достаточно для запуска гемодинамического ответа. Следовательно, те области головного мозга, которые на сканограммах выглядят активированными, на самом деле могут быть селективно угнетены;

- оксигенационно-зависимая контрастность.

Факторы, влияющие на оксигенационно-зависимую контрастность:

• Возраст
• Психологический фон (настроение, мотивация)

• Прием седативных, антигистаминных препаратов, алкоголя, кофеина

• Объем коркового кровотока
• Плотность распространения и размеры сосудов головы
• Коэффициент диффузии воды

Часть из указанных недостатков уже стали  устранять. Так, поскольку гемодинамический ответ является более медленным, чем нейрональный (он возникает с задержкой 4-6 с), временное разрешение фМРТ не страдает, если вид гемодинамического ответа не изменяется и является фиксированным во время индуцированной заданием нейрональной активации. Поэтому в стандартной методике используют чередование стимулирующих «рабочих» блоков (в течение 20-30 с) с периодами отдыха – «контрольные» блоки. «Контрольные» блоки тщательно отбирают, т.к. они должны активировать общие с «рабочими» блоками нейрональные процессы, кроме когнитивных. Затем путем выделения областей головного мозга, активированных в ходе «рабочих» блоков, из областей, задействованных в ходе «контрольных» блоков, достаточно просто можно определить те участки мозга, чья активация связана со специфическими когнитивными процессами. Тем самым, удается диагностическую ценность метода фМРТ именно в оценке нейрональной активации головного мозга.

Направления, в которых  уже используют фМРТ

- Нейрофизиология - понимание нейробиологических основ нормальных функций головного мозга, в первую очередь когнитивных процессов, таких как способность к восприятию и запоминанию информации, обучаемость, распознавание лиц, восприятие боли, слуховых, зрительных, обонятельных, тактильных и других раздражителей, двигательные функции и т.д.

- Диагностика нейробиологических основ проблем, связанных с патологическими пристрастиями (различные виды наркомании, пристрастие к азартным играм и т.п.).

- Диагностика самых разнообразных заболеваний, возникновение и развитие которых характеризуется изменениями функционального состояния мозга (это не только патология центральной нервной системы, но и других органов, например, синдром раздраженной кишки, как функциональное заболевание органов пищеварения), а также динамическое наблюдение за такими пациентами.

- Локализация эпилептических очагов.

- Мониторинг компенсации и восстановления корковых функций.

- Ранняя диагностика болезни Альцгеймера.

- Пространственная локализация источников галлюцинации при шизофрении.

- Наибольший интерес представляет использование фМРТ в нейрохирургии. На сегодняшний день существуют 3 основные задачи, решение которых возможно с помощью ФМРТ:

1) оценка  риска нейрохирургической операции  и операбельности с учетом взаиморасположения патологического образования и функциональной коры;

2) планирование  краниотомии для подхода к  опухоли на удалении от важнейших  функциональных областей коры  головного мозга (моторная, сенсорная,  речевая, зрительная кора);