Функциональная магнитно-резонансная томография в

Функциональная магнитно-резонансная томография в нейрохирургии
супратенториальных опухолей головного мозга
С.К.Терновой, В.Е.Синицын, С.П.Морозов, А.Г.Притыко, Б.П.Симерницкий
Московская медицинская академия им. И.М.Сеченова, Научно-практический центр
медицинской помощи детям с черепно-лицевой и нейропатологией, Москва 2004 г.
Введение.
На сегодняшний день магнитно-резонансная томография (МРТ) является методом,
прочно вошедшим в диагностические алгоритмы большого количества нозологии. Вместе
с тем процесс разработки новых вариантов применения данной методики приносит все
новые результаты. В первую очередь это относится к применению МРТ в неврологии и
нейрохирургии [1, 2]. Постепенно входят в практику такие методики нейрорадиологии,
как магнитно-резонансная спектроскопия, диффузионно-взвешенная, перфузионновзвешенная МРТ и, наконец, функциональная МРТ (ФМРТ) на основе BOLD-контраста
("blood-oxygenation-level-dependent contrast" – контраст, зависящий от степени насыщения
крови кислородом).
ФMPT на основе BOLD-контраста является относительно новой методикой
визуализации, позволяющей исследовать деятельность коры головного мозга,
осуществлять картирование функционально-специализированных зон, в том числе
моторной, сенсорной коры, зон речи Брока и Вернике (рис. 1). 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 [3–5].
Рис. 1. Функциональная организация коры головного мозга.
Рис. 2. Результаты статистической обработки "сырых" изображений ФМРТ с
двигательной активацией (метод корреляционных коэффициентов, р<0,001). а –
функциональная карта, полученная в результате статистической обработки "сырых"
изображений; б – после совмещения функциональной карты и анатомических
изображений становится возможной пространственная локализация соматосенсорной
коры (стрелки); в – зависимость МР-сигнала от времени, соответствующая периодам
активности пациента (стрелка) и периодам покоя (конец стрелки).
Рис. 3. Результаты статистической обработки "сырых" изображений ФМРТ с речевой
активацией (метод корреляционных коэффициентов, р<0,001). Полученные
результирующие изображения позволяют локализовать область Брока (стрелка),
активирующуюся при генерации обследуемым слов (без произнесения вслух),
начинающихся на заданную букву. График отражает зависимость МР-сигнала от времени,
соответствующую периодам активности пациента (стрелка) и периодам покоя (конец
стрелки).
Рис. 4. Функциональные изображения больного О., 5 лет, с анапластической
эпендимомой. На функциональных изображениях в правом полушарии визуализируется
смещение корковой области, ответственной за движение пальцами левой руки, кзади
(стрелка), что связано с ростом опухоли и изменением функциональной организации коры
головного мозга. График показывает, что именно эти области активировались при
выполнении обследуемым активирующего задания. По результатам обследования был
пересмотрен план операции, и вместо частичной выполнена субтотальная резекция.
Рис. 5. Функциональные изображения больной М., 15 лет, с глиобластомой. На
функциональных изображениях визуализируется смещение корковой области,
ответственной за движение пальцами правой руки, кпереди (стрелка), что связано с
ростом опухоли и отеком. График показывает, что именно эти области активировались
при выполнении обследуемым активирующего задания. По результатам обследования
была уточнены локализация опухоли и ее соотношение с моторной корой.
Некоторые особенности ФМРТ требуют отдельной оговорки. Во-первых, результатом
одного исследования являются сотни изображений с динамическим изменением сигнала
порядка 1–5%, что делает невозможной зрительную оценку. Заключение формулируется
на основе карт активации, получаемых в результате математической обработки "сырых"
изображений на ЭВМ с помощью статистических методов (рис. 2, 3). Во-вторых, в
отличие от стандартного МРТ-обследования ФМРТ требует активного участия пациента и
четкости действий проводящего обследование. Для этого необходима высокая мотивация
со стороны пациента, тщательный предварительного инструктаж и специальная
подготовка исследователя. В-третьих, ФМРТ подвержена артефактам и
ложноположительным результатам, что обусловливает высокие требования к
техническому состоянию МР-томографа, качеству выполнения исследования.
Противопоказания к ФМРТ являются стандартными для МРТ в целом (искусственные
водители ритма, клаустрофобия, металлические имплантаты).
На данный момент наиболее распространенным клиническим применением методики
является дооперационное обследование нейрохирургических больных с целью оценки
взаиморасположения моторной, речевой, зрительной коры и опухоли (в основном это
касается глиальных опухолей) с последующим планированием v минимально-инвазивных
операций.
Цель
Целью нашего исследования является оценка осуществимости ФМРТ с двигательной и
речевой активацией на добровольцах и пациентах с супратенториальными опухолями
головного мозга для планирования нейрохирургических вмешательств с максимальным
сохранением функций коры головного мозга.
Материалы и методы
Объектами исследования явились 31 здоровый доброволец в возрасте от 5 до 72 лет и 5
пациентов с полушарными опухолями головного мозга в возрасте от 5 до 14 лет. Всего
было выполнено 40 обследований (31 с двигательной активацией и 9 с речевой
активацией), 2 пациентов были обследованы повторно. Обследования проводили на МРтомографах GE Signa Horizon 1.5Т и Siemens Harmony 1.0T. В качестве двигательной
активации использовали последовательную оппозицию II–IV пальцев кисти I пальцу.
Активацию зон речи осуществляли только в экспериментах на добровольцах, способных
выполнять задание, путем подбора обследуемыми слов (без произнесения вслух для
уменьшения артефактов движения), начинающихся на произносимую через переговорное
устройство букву. Суть активирующих заданий разъясняли пациентам до и после
помещения в МР-томограф. Для уменьшения артефактов движения голову обследуемого
фиксировали с помощью специальной укладки. Для получения анатомических
изображений использовали Т1-взвешенные последовательности, а для получения
функциональных изображений – эхо-планарные последовательности с предварительной
настройкой (шиммингом) для увеличения однородности магнитного поля. Правильность
выполнения обследуемыми двигательного задания отслеживали, и в случае возникновения
ошибок или посторонних движении эксперимент начинали заново после дополнительных
разъяснении. Полученные "сырые" изображения проверяли на наличие артефактов
движения и обрабатывали по методу расчета корреляционных коэффициентов или
значений z. В обсуждении результатов всех обследований участвовали нейрохирурги.
Результаты
В 90% случаев МРТ позволила локализовать функционально-специализированные
области коры головного мозга (двигательная кора, зона Брока); 94,7% обследований с
двигательной активацией и 77,7% обследований с речевой активацией оказались
удачными. Значительная разница в проценте успешных обследований объясняется
невозможностью оценки правильности и тщательности выполнения обследуемым
активирующего задания. При этом среди добровольцев неудачные исследования
составили 6,5%, а среди пациентов с полушарными опухолями – 22,2%, что связано с
тяжестью заболевания. По результатам оценки полученных данных в 1 случае был
изменен протокол запланированной операции, в 2 случаях была уточнена локализация
опухоли и ее взаимоотношение с моторной корой.
По результатам обследования больного О., 5 лет, с анапластической эпендимомой
правого полушария, было предположено изменение функциональной организации коры в
связи с ростом опухоли. На функциональных изображениях (рис. 4) визуализируется
смещение моторной коры кзади в теменную долю головного мозга. На основании ФМРТ
протокол запланированной операции был изменен: вместо частичной резекции была
произведена субтотальная резекция с учетом смещения моторной коры кзади. В
послеоперационном периоде существовавший до операции гемипарез не углубился.
Больная М., 15 лет, с глиобластомой левого полушария, была обследована до операции.
Визуализируется (рис. 5) смещение моторной коры кпереди за счет масс-эффекта
опухоли. Больной была произведена субтотальная резекция опухоли.
Обсуждение
В 1991 г. исследовательская группа под руководством J.Belliveau [6] разработала
технику функциональных исследований с помощью МРТ. Испытуемые подвергались
воздействию зрительной стимуляции с одновременным болюсным введением
парамагнитного контрастного препарата (Gadolmium-DTPA), обусловливающего
снижение сигнала на эхо-планарных последовательностях, вследствие различной
магнитной чувствительности микрососудистого русла, заполненного контрастом, и
окружающей ткани. При сопоставлении расчетных значений регионального кровотока
(rCBV, rCBF) во время представления зрительной стимуляции и в отсутствие стимуляции
(в темноте) оказалось, что активация зрительной коры сопровождается увеличением ее
перфузии на 30%.
Приблизительно в то же время S.Ogawa и соавт. [7] обнаружили, что изменение уровня
насыщения крови кислородом приводит к подобным изменениям контрастности
изображений у лабораторных животных. В основе их разработки лежал тот факт, что
дезоксигемоглобин обладает большими парамагнитными свойствами, чем
оксигемоглобин [8]. Известно что, энергообеспечение коры в течение первых 4–5 мин
постоянной активности происходит за счет анаэробного гликолиза [9]. За счет
одновременного возрастания перфузии увеличивается транспорт глюкозы из капилляров в
нервную ткань, транспорт кислорода при этом изменяется незначительно, что выражается
в относительном повышении концентрации кислорода (в том числе связанного с
гемоглобином) в венозной крови. Соотношение оксигемоглобина и дезоксигемоглобина
соответственно увеличивается, т.е. происходит относительное снижение содержания
дезоксигемоглобина в капиллярах и венулах. Относительное локальное снижение
концентрации дезоксигемоглобина во время нейрональной активации выражается в
усилении сигнала на томограммах, полученных с помощью Т2*-взвешенных
последовательностей (эхо-планарные, градиентные последовательности). Учитывая
сказанное выше, методика получила название BOLD-contrast.
В настоящее время процесс разработки клинического применения данного метода
продолжается. Однако некоторые варианты уже можно перечислить: среди них первое
место занимает оценка операбельности очаговых поражений головного мозга и
планирование минимально инвазивных нейрохирургических вмешательств [10–14], кроме
того, возможна локализация эпилептических очагов [15], определение доминантного
полушария при лечении эпилепсии [16], мониторинг компенсации и восстановления
функций коры головного мозга [17, 18], нейропсихиатрические исследования [19–20], в
том числе при болезни Альцгеймера [21].
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. 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. 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.
Необходимо отметить ряд ограничений метода, препятствующих его внедрению в
клиническую практику. Среди них высокие требования к МР-томографу, трудность или
даже невозможность стандартизации активирующих заданий (учитывая различный
уровень мотивации пациентов при выполнении заданий, что неизбежно отражается на
уровне сигнала), возможность возникновения артефактов и ложноположительных
результатов, связанных с непроизвольными движениями пациента [22] или наличием
разного рода металлических объектов, и потребность в технических устройствах для
представления таких видов задании, как визуальные и звуковые [23]. Дополняя
перечисленное, неразрешимую проблему представляют артефакты после выполнения
краниотомии, к которым эхо-планарные последовательности, используемые в ФМРТ,
высокочувствительны.
Наибольший интерес представляет использование ФМРТ в нейрохирургии. На
сегодняшний день существуют 3 основные задачи, решение которых возможно с
помощью ФМРТ [13]:
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);
3) отбор пациентов, которым показано инвазивное картирование коры головного мозга.
При этом в целом ряде исследований было показано, что результаты ФМРТ в
значительной степени коррелируют с результатами прямой стимуляции коры головного
мозга электродами [24]. С учетом того, что в России картирование коры головного мозга
пациентам–кандидатам на нейрохирургическое лечение практически не проводится, на
наш взгляд именно применение ФМРТ для планирования нейрохирургических операций с
максимальным сохранением важнейших корковых функций представляет наибольший
интерес и является перспективным с клинической точки зрения.
Выводы
Таким образом, ФМРТ с двигательной и речевой активацией осуществима в
клинических условиях на добровольцах и пациентах с супратенториальными опухолями
головного мозга. Представляется перспективным использование локализации моторной и
речевой коры с помощью ФМРТ в нейрохирургии с целью планирования минимальноинвазивных операций с максимальным сохранением функций коры головного мозга.
Необходимо дальнейшее методологическое совершенствование ФМРТ для исключения
возможных артефактов и ложноположительных результатов.
Литература
1. Leeds NE, Kieffier SA. Radiology 2000; 217: 309–18.
2. Schindler E, ed. Syllabus MR in neuroradiology: Update and state of the art. Bologna:
Centauro srl, 1999.
3. Essig M, Schoenberg SO, Schlemmer HP. et al. Radiologe 2000; 40 (10): 849–57.
4. Le Bihan D, ed. Diffusion and perfusion magnetic resonance imaging: applications to
functional MRI. New York: Raven Press, 1995.
5. Le Bihan D. J Neuroradiol 1996 (Jun); 23 (1): 1–5.
6. Belliveau JW. et al. Science 1991; 254: 716–9.
7. Ogawa S, Menon RS, Tank DW. et al. Proc Natl Acad Sci USA 1992;89: 5951–5.
8. Thulbom КR, Waterton JC, Matthews PM. et al. Biochim Biophys Acta 1982; 714: 265–70.
9. Pavone P, Rossi P, eds. Syllabus Functional MRI. Milano: Springer, 1996.
10. Achten E, Jackson GD, Cameron JA. et al. Radiology 1999; 210: 529–38.
11. Beisteiner R, Lanzenberger R, Novak K. et al. Neurosci Lett 2000; 290: 13–6.
12. Dymarkowski S, Sunaert S, Van Oostende S. et al. Eur Radiol 1998; 8: 1573–80.
13. Lee CC, Ward НА, Sharbrough FW. et al. Am J Neuroradiol 1999 (Sep); 20: 1511–9.
14. Mueller WM Yetkin FZ, Hammeke ТA. Neurosurgery 1996; 39 (3): 515–21.
15. Masuoka LK, Anderson AW, Gore JC. et al. Epilepsia 1999; 40 (9): 1248–53.
16. Pujol J, Deus J, Losilla JM. Neurology 1999; 52: 1038.
17. Calvert GA, Brammer MJ, Morris RG et al. Brain and Language 2000; 71: 391–9.
18. Rowe JB, Frackowiak RSJ. Curr Opinion Neurobiol 1999; 9: 728–34.
19. Binder JR, Frost JA, Hammeke ТА. et al. J Cogn Neurosci 1999; 11 (1): 80–95.
20. Matthews PM, Clare S, Adcock J. J Inherit Metab Dis 1999; 22: 337–52.
21. Bookheimer SY, Strojwas MH, Cohen MS. New Engl J Med 2000; 343 (7): 450–6.
22. Field AS, Yen Yi-Fen, Burdette JH, Elster AD. Am J Neuroradiol 2000 (Sep); 21: 388–96.
23. Frank JA, Ostuni JL, Yang Yihong et al. Radiology 1999; 210: 260–8.