ЯМР in vivo для встановлення зв’язку між локальним станом головного мозку людини і магніторезонансними характеристиками церебральних метаболітів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. ЯМР є фундаментальним фізичним явищем, яке стало одним з найпоширеніших і найефективніших інструментів для досліджень у фізиці, хімії і біології. Отримання магніторезонансних (МР) зображень призвело до відкриття магніторезонансної томографії (МРТ) і in vivo магніторезонансної спектроскопії (МРС) і їх застосування у медицині для вивчення таких складних біологічних систем як головний мозок людини. Ці методи застосовують в різних галузях медичної науки і клінічної діагностики. Останнє значною мірою обумовлює важливість МР досліджень.

Вивчення головного мозку людини на різних етапах його розвитку із застосуванням методів МРТ і МРС дозволяє спостерігати структурні і біохімічні вікові зміни мозку і виявляти їх зв'язки з його функціями. В in vivo 1Н спектрах головного мозку спостерігаються близько двадцяти сигналів церебральних метаболітів: N-ацетиласпартату (NAA), креатину (Cr), холіну (Cho), інозитолу (Ins) і деяких інших. Знаходження магніторезонансних характеристик протонів церебральних метаболітів (положень і інтенсивностей сигналів, часів релаксації) формує основу для кількісного опису вікових і регіональних залежностей метаболізму головного мозку в нормі і дає можливість сформулювати кількісні критерії для оцінки патологічних змін в центральній нервовій системі. Все це обумовлює актуальність досліджень, котрим присвячено цю дисертацію.

Можливість отримання в одному in vivo дослідженні інформації про зв'язок між структурою органа і його функціями, стимулювало появу деяких нових напрямків в дослідженні головного мозку із застосуванням in vivo ЯМР спектроскопії. Одним з них є кількісний опис стану головного мозку на основі даних про вміст церебральних метаболітів. Для порівняння результатів досліджень, що проводяться у різних центрах, було розроблено методи визначення абсолютних (в одиницях моль/л) концентрацій церебральних метаболітів. Всі ці методи (методи внутрішнього і зовнішнього стандартів, урахування релаксаційного внеску і заповнення об'єму вимірювальної котушки, урахування об'єму цереброспінальної рідини, урахування клітинних компартментів) ґрунтуються на введенні різних калібрувальних коефіцієнтів до експериментально вимірюваних величин - амплітуд і інтегральних інтенсивностей сигналів. У такому способі подання даних виявляється великий розкид у значеннях вмісту церебральних метаболітів не тільки для різних експериментів, а й отриманих в одному дослідженні. Це зв'язано з відсутністю регулярного способу (теорії) введення калібрувальних коефіцієнтів, а головне з тім, що введення кожного такого коефіцієнта обумовлює додатковий розкид у значеннях величин, що оцінюються. В результаті, у перелічених кількісних дослідженнях цінність мають тільки дані про відносні зміни вмісту метаболітів у рамках одного дослідження. Що стосується величини цих змін, то вона залишається фактично довільною, хоча й виражається в стандартних одиницях (моль/л). Іншими словами, відмінність, наприклад, концентрацій метаболітів в різних дослідженнях у 2 - 3 рази (при збереженні певних пропорцій між концентраціями) не призводить до якихось кількісних висновків, і дані просто усереднюються по групі суб'єктів. Попри велику кількість результатів, які було отримано у дослідженні метаболізму головного мозку із застосуванням методу МРС, розробка методів квантифікації спектральних даних потребує нового підходу, котрий слід розглядати як квантифікацію стану індивидуального мозку.

В даній роботі запропоновано новий кількісний підхід до аналізу експериментальних даних, отриманих в in vivo ЯМР дослідженнях головного мозку людини.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення емпіричних зв'язків між станом головного мозку людини и значеннями кількісних індикаторів, що базуються на спектральних даних 1Н ЯМР - амплітудах, площах, ширинах ліній і часах релаксації сигналів протонів церебральних метаболітів. В дисертаційній роботі розв'язано такі задачи:

1. Експериментальне дослідження головного мозку людини за допомогою методів МРТ і МРС.

2. Встановлення за даними ЯМР емпіричних закономірностей, які характеризують стан індивідуального мозку людини.

3. Розробка нового методу візуалізації стану головного мозку людини на основі співвідношення між інтенсивностями сигналів ЯМР і протонними часами релаксації церебральних метаболітів.

1. 1H ЯМР in vivo і методи квантифікації

Розглянуто основні фізичні принципи і методи отримання in vivo спектрів ЯМР і МР зображень, проаналізовано технічні особливості методів, а також сформульовано задачі, розв'язання яких дозволяє оптимізувати процес збору і обробки даних в in vivo ЯМР дослідженні головного мозку. У першому розділі описано методи кількісного аналізу in vivo спектрів 1H ЯМР (методи внутрішнього і зовнішнього стандартів для знаходження відносного і абсолютного вмісту метаболітів), а також викладено результати попередніх досліджень метаболізму головного мозку із застосуванням методу in vivo ЯМР спектроскопії. Незважаючи на велику кількість результатів, які отримано під час дослідження метаболізму головного мозку методом in vivo МРС, кількісні дослідження стану головного мозку знаходяться у самому початку свого розвитку.

У наступних розділах дисертаційної роботи - розроблено і застосовано новий кількісний підхід до опису стану головного мозку людини.

2. Квантифікація стану головного мозку

На основі величин, які вимірюються в in vivo експериментах ЯМР і містять інформацію про стан головного мозку, введено індикатори, що дозволяють встановити кількісні емпіричні закономірності, які характеризують стан мозку. В якості величин, що вимірюються, обрано первинні спектральні дані in vivo 1H ЯМР для трьох метаболітів: NAA, Cr і Cho, і визначено кількісні індикатори стану мозку. Таким чином, задача кількісного аналізу полягає у встановленні емпіричних зв'язків між станом головного мозку людини і магніторезонансними характеристиками церебральних метаболітів, які представлено кількісними індикаторами.

Для кількісного опису локального стану головного мозку беруться значення інтегральної інтенсивності МР сигналів метаболітів і вводяться дві вимірюваних величини: вміст метаболіту Ai - величина інтегральної інтенсивності (площа) сигналу, і концентрація метаболіту Ci - відношення інтегральної інтенсивності сигналу Ai до сумі інтегральних інтенсивностей усіх сигналів S = Уi Ai . Верхній індекс означає метаболіт, а величина S є сумарним вмістом метаболітів. У даній роботі розглянуто три основних метаболіти: i = Cho, Cr і NAA, і досліджено залежності вмісту і концентрації метаболітів від S для різних областей локалізації в головному мозку суб'єктів різних груп. Аналіз цих залежностей виявив тонку структуру середньої концентрації, що пов'язана з конфігурацією спектра, тобто було встановлено залежність середньої концентрації від співвідношення інтегральних інтенсивностей сигналів метаболітів.

Виявлення тонкої структури дозволило сформулювати гіпотезу про існування зв'язку між локальним метаболічним станом мозку і конфігурацією спектру. Формулювання гіпотези включає визначення нових кількісних індикаторів стану головного мозку - спектральних конфігурацій (СК) в області інтересу. Для трьох метаболітів в кожній області інтересу введено тріаду T* = {ACho , ACr , ANAA}, де ACho, ACr і ANAA - інтегральні інтенсивності сигналів Cho, Cr і NAA. Кожному значенню Ai для сигналів Cho, Cr і NAA дається одне з трьох значень: 1, 2 або 3, щоб символічно визначити 6 можливих спектральних конфігурацій: T = {1* , 2* ,..., 6*}, де 1* = {1, 2, 3}, 2* = {2, 1, 3}, 3* = {1, 3, 2}, 4* = {3, 2, 1}, 5* = {3, 1, 2} і 6* = {2, 3, 1}. Тріаду T* можна наочно уявити як спектр, котрий складається з трьох сигналів і характеризує метаболічний стан головного мозку в області інтересу.

Як доповнення до характеристики стану головного мозку пацієнтів на основі співвідношення між інтенсивностями сигналів основних церебральних метаболітів у роботі введено ще одну характеристику - набір часів релаксації T2 i для цих метаболітів, де i = Cho, Cr і NAA. Співвідношення між часами T2i визначають можливість змін спектральної конфігурації зі зміною часу формування спінового еха TE. Таким чином, спектральна конфігурація для деякого значення TE доповнюється набором величин часів релаксації Tr = {T2Cho, T2Cr, T2NAA}, який характеризує сталість спектральній конфігурації T* відносно зміни TE. Визначення конфігурації часів релаксації (КЧР) дозволяє значною мірою виключити випадкові збіжності спектральних конфігурацій для одного значення TE.

У подібний спосіб аналізуються дані, отримані методом CSI. У цьому випадку вивчається залежність амплітуд МР сигналів від ТЕ у кожному вокселі спектральної матриці.

Головний результат даної роботи - опис локальних станів індивідуального мозку на основі нових кількісних індикаторів T* і Tr . Важливо, що при визначенні індикаторів не використовуються якісь статистичні (що усереднюються по групі суб'єктів) характеристики для опису стану головного мозку. Запропонований в даній роботі кількісний підхід ґрунтується тільки на первинних експериментальних даних - магніторезонансних характеристиках основних церебральних метаболітів, що спостерігаються в спектрах ЯМР у виокремленій області головного мозку. Вказано також можливість узагальнення запропонованого кількісного підходу до аналізу метаболічного стану мозку шляхом врахування більшого числа метаболітів: чотирьох, п'ятьох и т.д. Це дозволяє, зокрема, виявити тонку структуру розглянутих у даній роботі тріад. З метою перевірки гіпотези про зв'язок СК з локальним станом мозку автором проведено аналіз експериментальних даних, отриманих в МРС дослідженні головного мозку від періоду його внутрішньоутробного розвитку до дозрівання і в процесі старіння. Дано опис вікових і регіональних залежностей часів релаксації T2i і вмісту церебральних метаболітів для нормального стану головного мозку людини. Ці залежності покладено в основу ідентифікації патологічних процесів у центральній нервовій системі. Розроблено кількісні критерії для клінічної діагностики патології центральної нервової системи. Результати всіх цих досліджень докладно розглянуто в наступних розділах.

3. Кількісне дослідження вікових і регіональних залежностей метаболізму головного мозку людини, що розвивається

Присвячено in vivo 1H МРС головного мозку плода, розвиток якого відбувається за умов перебігу нормальної і патологічної вагітності, а також дослідженню вікових залежностей метаболізму головного мозку дітей п'яти вікових груп (менш ніж 3 місяці, від 3-х до 10 місяців, від 10 місяців до 3-х років, від 3-х до 8 років і старших за 8 років).

Запропонований в даній роботі кількісний підхід до аналізу спектральних даних, отриманих під час дослідження головного мозку протягом внутрішньоутробного розвитку дозволив виявити те, що в спектрах головного мозку плода віком до 30 тижнів за умов неускладненої вагітності переважають конфігурації 3* і 4*, досить часто зустрічається конфігурація 5*, а конфігурації 1*, 2* і 6* відсутні. Починаючи з 30-го і до 39-го тижня внутрішньоутробного розвитку у головному мозку плода, що нормально розвивається, найчастіше спостерігаються конфігурації 1* і 2*. При ускладненні вагітності у плода, що розвивається за умов постійної гіпоксії, конфігурація 6* рідко спостерігається до 30-го тижня внутрішньоутробного розвитку і спостерігається досить часто після 30-го тижня розвитку. При гіпоксично-ішемічному ураженні плода в спектрах зазвичай спостерігаються конфігурації 4* і 5*, причому 5* - при найважчих формах гіпоксії плода, пов'язаних з внутрішньоутробним інфікуванням. У випадках, коли під час МРТ дослідження плода було виявлено грубі анатомічні дефекти розвитку головного мозку, конфігурація 1* була відсутня в спектрах, частіше спостерігалися конфігурації 2* і 4*, але найчастіше - 5* і 6*. У найбільш критичних випадках, наприклад, при недорозвиненні півкуль головного мозку, переважно спостерігається конфігурація 5*.

Під час дослідження головного мозку дітей знайдено, що у дітей з нормальним розвитком у віці від одного до трьох місяців спектральна конфігурація 1* відсутня, конфігурації 2* і 6* спостерігаються досить часто, найбільш часто спостерігаються конфігурації 4* і 5*. Знайдено також, що у нормально розвинених дітей у віці від 6 до 10 місяців присутні всі спектральні конфігурації (1*, 2*, 3*, 4*, 5* і 6*). Для конфігурацій 1* і 2* має місце досить великий розкид значень концентрацій NAA, Cr і Cho. У дітей, старших за 10 місяців, найчастішими є конфігурації 1* і 2*, і з віком спостерігається зменшення дисперсії концентрацій. Конфігурація 3* частіше за все зустрічається у дітей з ознаками ураження ЦНС. Конфігурації 5* і 6* спостерігаються в осередках эпіактивності, що виявляються при енцефалографічному дослідженні.

Вивчення метаболізму мозку, що розвивається, дозволяє зрозуміти послідовність формування мозкових структур і їх функцій. Дегенеративні захворювання нервової системи, що проявляються у похилому віці (хвороби Альцгеймера і Паркінсона), можуть бути наслідком умов формування головного мозку на ранніх етапах його розвитку. Відтак дослідження мозку, що розвивається, є важливим для оцінки функціональних змін у ньому в процесі старіння і при патології.

4. Кількісне дослідження церебрального метаболізму здорових людей і пацієнтів з нейроонкопатологіею

Викладено результати дослідження з використанням in vivo 1H МРС регіональних і вікових особливостей метаболізму мозку в процесі природного старіння головного мозку пацієнтів чотирьох вікових груп (від 18 до 34 років, від 35 до 51 року, від 52 до 68 років і від 69 до 85 років), а також пацієнтів з внутрішньомозковими і зовнішньомозковими пухлинами.

Застосування розробленого в даній роботі кількісного підходу до опису стану головного мозку дозволило дійти висновку, що як у суб'єктів молодого, так і похилого віку, як у чоловіків, так і у жінок найчастіше спостерігається спектральна конфігурація 1*, а конфігурація 2* займає друге місце. Отже можна вважати, що спектральні конфігурації 1* і 2* відповідають нормальному стану дорослого головного мозку. Конфігурації 3* і 4* притаманні стану головного мозку пацієнтів старших вікових груп без клінічних ознак неврологічних розладів. Результати МРС дослідження здорових людей використовуються як базисні для аналізу даних для пацієнтів з патологіями ЦНС: з нейроонкопатологією, ішемічним інсультом, хворобою Альцгеймера і Паркінсона. Конфігурація 5* практично відсутня у здорових людей і досить часто спостерігається у пацієнтів з зовнішньо мозковими пухлинами. Конфігурація 6* спостерігається переважно у пацієнтів з внутрішньо мозковими пухлинами, для котрих конфігурація 5* також присутня досить часто. Кількісна класифікація стану головного мозку на основі спектральних конфігурацій дозволяє суттєво збільшити результативність МРТ обстежень пацієнтів з внутрішньо мозковими і зовнішньо мозковими пухлинами.

Основним результатом даного дослідження є встановлення емпіричних зв'язків між конфігураціями спектру в пухлині і зовні пухлини і станом головного мозку пацієнта. Знайдені емпіричні закономірності дозволяють визначити, як змінюється метаболізм тканини головного мозку в ураженій і інтактній півкулях залежно від віку пацієнта, типа пухлини, її розмірів і області локалізації. Ці емпіричні закономірності використовуються нейроонкологами для визначення методу лікування і планування операції з мінімальним пошкодженням здорової тканини головного мозку.

5. Кількісне дослідження церебрального метаболізму при віковой нейродегенерації

Присвячено використанню запропонованого в роботі кількісного підходу до аналізу результатів in vivo 1H МРС досліджень пацієнтів після перенесеного ішемічного інсульту, з хворобою Паркінсона, а також з різними формами деменції.

Кількісний опис стану головного мозку пацієнтів після ішемічного інсульту свідчить про те, що в гострому періоді найчастішими є спектральні конфігурації 5* і 6*, хоча присутні і конфігурації 2*, 3* і 4*. У реабілітаційному періоді спостерігається стабільний розподіл спектральних конфігурацій, причому найчастіше зустрічаються конфігурації 1* і 2*. За період відновлення кількість конфігурацій в різних структурах зменшується. На Рис. 9 наведено розподіл концентрацій Cho, Cr і NAA для групи пацієнтів після ішемічного інсульту. Кожному вокселю спектральної матриці кожного суб'єкта групи відповідає точка на сфері з координатами (Ci)1/2, де i = Cho, Cr і NAA (CCho + CCr + CNAA = 1).

Знайдені емпіричні закономірності дозволяють визначити як змінюється метаболізм тканини головного мозку в ураженій і інтактній півкулях залежно від віку пацієнта, розмірів і місця локалізації ішемічної зони. Спектральні конфігурації в ділянці ішемічної тіні дозволяють кількісно визначити ступінь порушення метаболізму і функцій головного мозку в ушкодженій і в неушкодженій тканині, зазначити наявні розміри осередку і ступінь незворотніх змін в суміжних з ним тканинах. Це вказує на доцільність клінічного застосування методу МРС - прогнозування подальшого перебігу процесу відновлення нормальних функцій тканини головного мозку. Знайдені у роботі емпіричні закономірності використовуються в клінічній практиці для вибору тактики лікування в гострому і реабілітаційному періодах.

Під час вивчення особливостей метаболізму головного мозку пацієнтів з хворобою Паркінсона методом МРС у даній роботі було розв'язано кілька задач. Перша задача включає наступні етапи: (1) Вивчення регіональних і вікових особливостей церебрального метаболізму, (2) Побудову карт розподілу метаболітів і класифікація регіональних особливостей метаболізму згідно із спектральними конфігураціями і (3) Знаходження відмінностей між хворобою Паркінсона і множинною системною атрофією. Друга задача стосується знаходження часів спін-спінової релаксації T2i протонів основних церебральних метаболітів і використання, поряд з індикатором T*, додаткового індикатора Tr = {T2Cho, T2Cr, T2NAA} для цих метаболітів. Значення T2 в базальних гангліях відображають вміст заліза, що також є характеристикою хвороби Паркінсона. В результаті проведеного дослідження було встановлено, що у пацієнтів з хворобою Паркінсона у білій речовині півкуль головного мозку найчастіше зустрічаються конфігурації 1* і 2*, а в області базальних ядер - 5* і 6*.

Серед задач цього дослідження було також вивчення особливостей церебрального метаболізму у пацієнтів з хворобою Альцгеймера, коли на тлі процесів природного старіння головного мозку формуються відхилення від нормального стану, котрі не виявляються при МРТ обстеженні. При МРС обстеженні головного мозку пацієнтів з хворобою Альцгеймера знайдено, що для цих пацієнтів конфігурація 2* є типовою в області поясної звивини. Для пацієнтів з деменцією, що відрізняється від хвороби Альцгеймера, наприклад, з деменцією судинного типа, конфігурація 5* зустрічається найчастіше. Для пацієнтів з хворобою Альцгеймера для різних структур головного мозку типовими є конфігурації 2*, 3* і 5*. Запропонований в даній роботі кількісний підхід для аналізу стану головного мозку можна застосовувати в нейропедіатрії, нейроонкології і геронтології.

Висновки

спектральний церебральний метаболічний

В дисертаційній роботі вперше методом in vivo МРС проведено дослідження головного мозку людини від початку розвитку (включаючи період внутрішньоутробного дозрівання) до зрілості і похилого віку. Вперше сформульовано гіпотезу про існування зв'язку між спектральними конфігураціями і метаболічним станом мозку. Для підтвердження цієї гіпотези проведено дослідження здорових людей різного віку, а також пацієнтів з різними хворобами центральної нервової системи. Головні висновки з роботи зводяться до наступного:

1. Запропоновано новий кількісний підхід до аналізу експериментальних даних, що базується на гіпотезі про зв'язок спектральних конфігурацій з метаболічним станом індивідуального мозку.

2. Знайдено нові кількісні індикатори, які дозволяють встановити зв'язок між станом головного мозку і конфігурацією in vivo спектру ЯМР на ядрах 1H, а також конфігурацією часів релаксації основних церебральних метаболітів.

3. Запропоновано новий спосіб візуалізації стану головного мозку за допомогою карт розподілу спектральних конфігурацій і конфігурацій часів релаксації основних церебральних метаболітів.

4. Здійснено кількісне визначення вікових і регіональних залежностей часів релаксації і вмісту церебральних метаболітів в нормі і при патології.

5. Визначено нові кількісні критерії для клінічної діагностики патології центральної нервової системи.

Література

1. Зозуля Ю.А., Рогожин В.А., Рожкова З.З. Применение метода функциональной магниторезонансной томографии для выявления эпилептогенных зон головного мозга// Украинский нейрохирургический журнал. - 2000. - № 3. - С.81 - 86.

2. Рогожин В.О., Рожкова З.З. Класифікація пухлин головного мозку із застосуванням in vivo магнітно резонансної спектроскопії на ядрах 1Н// Український Радіологічний Журнал. - 2002. - т. 10. - вип. 1. - С. 61 - 68.

3. Рогожин В.А., Кузнецова С.М., Рожкова З.З., Кузнецов В.В. Возрастные особенности связи метаболизма и биоэлектрической активности мозга//Проблемы старения и долголетия. - 2002. - т.11.- № 2. - С. 145 - 155.

4. Рогожин В.А., Рожкова З.З., Кириллова Л.Г. Застосування методу in vivo магнітнорезонансної спектроскопії на ядрах 1Н для дослідження метаболізму головного мозку плода// Український Радіологічний Журнал. - 2002. - т. 10. - вип. 4. - С. 350 - 354.

5. Рогожин В.А., Рожкова З.З. ЯМР-спектроскопія in vivo: додаткові можливості МР-томографії при дослідженні головного мозку//Український Радіологічний Журнал. - 2002. - т. 10. - вип. 4. - С. 409 - 417.

6. Цымбалюк В.И., Рожкова З.З., Пичкур Л.Д., Пичкур Н.А. Применение метода ЯМР для оценки эффективности трансплантации эмбриональной нервной ткани при спастической форме детского церебрального паралича// Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 1998. - т.126. - С. 54 - 58.

7. Rogozhyn V., Rozhkova Z. A quantitative description of local brain states by the metabolite peak area triads from 1H magnetic resonance spectra// Rivista di Neuroradiologia. - 2003. -Vol.16. - Nо.6. - P.1113 - 1117.

Размещено на Allbest.ru