Magnetisk resonansavbildning mri i hjärnan. Funktionell magnetisk resonansavbildning (MRI). Funktionell MR-undersökning av hjärnan - kliniska experiment

TECHNOLOGIES

E.I. Kremneva, R.N. Konovalov, M.V. Krotenkova

Scientific Center of Neurology, Russian Academy of Medical Sciences (Moskva)

Sedan 90-talet. XX-talet är funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) en av de ledande metoderna för att kartlägga funktionella områden i hjärnan på grund av dess icke-invasivitet, brist på strålningsexponering och relativt utbredd förekomst. Kärnan i denna teknik är att mäta hemodynamiska förändringar som svar på neuronal aktivitet (BOLD effekt). För att lyckas med fMRI-experimentet är det nödvändigt: tillgången på lämpligt tekniskt stöd (högfält MR-tomografi, specialutrustning för att utföra uppgifter), utvecklingen av en optimal studiedesign och efterbehandling av de erhållna uppgifterna. För närvarande används tekniken inte bara för vetenskapliga ändamål, utan också i praktisk medicin. Man bör dock alltid komma ihåg några begränsningar och kontraindikationer, särskilt när man utför fMRI hos patienter med olika patologier. För korrekt planering av studien och tolkningen av dess resultat är det nödvändigt att involvera olika specialister: neuroradiologer, biofysiker, neurologer, psykologer, eftersom fMRI är en tvärvetenskaplig teknik.

Nyckelord: fMRI, FETT kontrast, studiedesign, efterbehandling

I århundraden har forskare och läkare varit intresserade av hur den mänskliga hjärnan fungerar. Med utvecklingen av vetenskapliga och tekniska framsteg blev det möjligt att lyfta upp denna hemlighets slöja. Och uppfinningen och introduktionen i klinisk praxis av en sådan icke-invasiv metod som magnetisk resonansavbildning (MRI) blev särskilt värdefull. MRT är en relativt ung metod: den första kommersiella 1,5 T-tomografen började arbeta först 1982. Emellertid gjorde 1990 kontinuerlig teknisk förbättring av metoden det möjligt att använda den inte bara för att studera de strukturella egenskaperna i hjärnan, utan också för att studera dess funktion. Den här artikeln kommer att fokusera på en teknik som gör det möjligt att kartlägga olika funktionella områden i hjärnan - funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI).

Grundläggande principer för fMRI-teknik_

fMRI är en MRI-teknik som mäter det hemodynamiska svaret (förändring i blodflödet) förknippat med neuronal aktivitet. Det bygger på två grundläggande begrepp: neurovaskulär interaktion och FETT kontrast.

fMRI tillåter inte en att se den elektriska aktiviteten hos nervceller direkt, men gör det indirekt genom en lokal förändring i blodflödet. Detta är möjligt på grund av fenomenet neurovaskulär interaktion - en regional förändring i blodflödet som svar på aktiveringen av närliggande neuroner. Denna effekt uppnås genom en komplex sekvens av sammanhängande reaktioner som inträffar i nervceller, det omgivande glia (astrocyter) och endotelet i den vaskulära väggen, eftersom med ökad aktivitet behöver neuroner mer syre och näringsämnen som tas med blodflödet. Med fMRI-tekniken kan man direkt utvärdera förändringen i hemodynamik.

Detta blev möjligt 1990, då Seiji Ogawa och hans kollegor från Bell Laboratories (USA) föreslog användning av FETT kontrast för studier av hjärnfysiologi med hjälp av MRI. Deras upptäckt markerade början av en era

modern funktionell neuroimaging och bildade grunden för de flesta fMRI-studier. FETT-kontrast (bokstavligen - blod-syresättningsnivåberoende, beroende på nivån på blodoxygenering) är skillnaden i MR-signalen i bilder med gradientsekvenser, beroende på andelen deoxihemoglobin. Deoxihemoglobin har olika magnetiska egenskaper från de omgivande vävnaderna, vilket, när det skannas, leder till en lokal störning av magnetfältet och en minskning av signalen i "gradienteko" -sekvensen. Med en ökning i blodflödet som svar på aktiveringen av neuroner, tvättas deoxihemoglobin ut från vävnaderna och syresatt blod kommer att ersätta det, vilket liknar magnetiska egenskaper som de omgivande vävnaderna. Sedan minskar fältstörningen och signalen undertrycks inte - och vi ser dess lokala förstärkning (Fig. 1A).

Således, sammanfattande av allt ovan, kan det allmänna schema för fMRI representeras på följande sätt: aktivering av neuroner som svar på en stimulans och en ökning av deras metaboliska behov leder till en lokal ökning av blodflödet registrerat under fMRI i form av en BOLD signal - produkten av neuronal aktivitet och hemodynamisk respons ( fig.1B).

fikon. 1: En - schematisk illustration av VOS-kontrasten i Oda / ha-experimentet med en förändring i procentandelen syre i råttans blod; När vanlig luft (21% syre) inhaleras bestäms signalområdesområden (i figurens övre del) i barken, motsvarande kärl med ökat innehåll av deoxihemoglobin; när rent syre inhaleras noteras en homogen MR-signal från hjärnbarken (i den nedre delen av figuren); B - generellt schema för VOS-signalbildning

Experimentplanering

För att utföra en fMRI-studie, en MR-tomograf med högt fält (magnetfältinduktion på 1,5 T och högre), olika utrustningar för att utföra uppgifter under skanning (hörlurar, videoglas, en projektor, olika konsoler och joysticks för feedback med ämnen, etc.) .). En viktig faktor är forskarens vilja att samarbeta.

Schematiskt ser själva skanningsprocessen (med exemplet med visuell stimulering) så ut (fig. 2): motivet finns i tomografen; genom ett speciellt spegelsystem fixerat ovanför hans huvud har han tillgång till bilder som visas genom en videoprojektor på skärmen. För feedback (om det antyds i uppgiften) trycker patienten på en knapp på fjärrkontrollen. Stimuli-leverans och kontroll av utförande av uppgifter utförs med hjälp av konsolen i kontrollrummet.

Uppgifterna som ämnet utför kan vara olika: visuella, kognitiva, motoriska, tal etc., beroende på målen. Det finns två huvudtyper av presentation av stimuli i en uppgift: i form av block - blockdesign och i form av separata olika stimuli - diskret design (fig. 3). En kombination av båda är också möjlig - en blandad design.

Det mest utbredda, särskilt för motoruppgifter, är blockdesignen, när samma stimuli samlas i block som växlar med varandra. Ett exempel är uppgiften att pressa en gummikula (varje pressning är en separat stimulans) under en viss tid (i genomsnitt 20-30 s), alternerande med viloperioder av samma varaktighet. Denna design har den största statistiska kraften, eftersom de enskilda BOLD-signalerna summeras. Men det är vanligtvis förutsägbart för patienter och tillåter inte bedömning av svaret på en enda stimulans, och är därför inte lämplig för vissa uppgifter, särskilt för kognitiva uppgifter.

fikon. 2: Schema för fMRI-experimentet (baserat på material från resursen http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, med förändringar)

Blockera

Diskret (evenemangsrelaterat)

A 11 i A D1 iil iiitU I I,

fikon. 3: Grundläggande typer av fMRI-undersökningar

Funktionell magnetisk resonansavbildning

För detta finns det en diskret design när stimuli ges på ett kaotiskt sätt med olika intervall. Exempelvis visas ett subjekt med araknofobi som neutrala bilder (blommor, byggnader, etc.), bland vilka bilder av en spindel visas från tid till annan, vilket gör det möjligt att bedöma hjärnans aktivering som svar på obehagliga stimuli. Med blockdesign skulle detta vara svårt: för det första vet ämnet när ett block kommer att visas, och förbereder sig redan för detta i förväg, och för det andra, om samma stimulans presenteras under en lång tid, blir reaktionen på det tråkig. Det är den diskreta designen som kan användas i fMRI som en ljoddetektor eller i marknadsundersökningar, när frivilliga visas olika alternativ för produkter (förpackning, former, färger) och deras medvetslösa reaktioner observeras.

Så vi har valt utformningen av uppgiften, har genomfört skanningen. Vad får vi till slut? Först är det en 4D-serie av funktionsdata i en "gradienteko" -sekvens, som representerar flera upprepade skanningar av hela volymen av hjärnämnet under uppgiften. Och för det andra en högupplöst 3D-volym av anatomiska data: till exempel 1 x 1 x 1 mm (fig. 4). Det senare är nödvändigt för exakt kartläggning av aktiveringszoner, eftersom funktionella data har en låg rumslig upplösning.

Efterbehandling av data_

Förändringar i MR-signalen i aktiveringszonerna i hjärnan under olika förhållanden är endast 3-5%, de är omöjliga för det mänskliga ögat. Därför underkastas de erhållna funktionella uppgifterna statistisk analys: en kurva för beroendet av intensiteten hos MR-signalen på tid planeras för varje voxel i bilden under olika tillstånd - experimentell (stimulansavgivning) och kontroll. Som ett resultat får vi en statistisk karta över aktivering i kombination med anatomiska data.

Men innan du direkt genomför en sådan analys är det nödvändigt att förbereda "råa" data som erhållits i slutet av skanningen och att minska variationen i resultaten som inte är relaterade till det experimentella problemet. Beredningsalgoritmen är en flerstegsprocess, och det är mycket viktigt att förstå möjliga fel och fel i tolkningen av de erhållna resultaten. För närvarande finns det olika program -

.V-V w<# %>

40 4 "r h® F W

fikon. 4: Serie av funktionella (A) och anatomiska (B) data som skaffats i slutet av skanningen

mjukvara för preliminär behandling av erhållna data, producerad av både tillverkare av MR-tomografer och oberoende forskningsfMRI-laboratorier. Men trots skillnaderna i de använda metoderna, deras namn och datapresentation, reduceras alla förberedelsestadier till några få grundläggande steg.

1. Korrigering av motivets huvudrörelse. Detta är oundvikligt när du utför uppgifter, trots att olika enheter används för att fixa huvudet (masker, klipp på huvudspolen etc.). Till och med minimal rörelse kan leda till en uttalad konstgjord förändring i intensiteten hos MR-signalen mellan på varandra följande datamängder, särskilt om huvudförskjutningen är associerad med utförandet av den experimentella uppgiften. I det här fallet är det svårt att skilja mellan "sann" FETT-aktivering från "konstgjord" - som härrör från motivets rörelse (Fig. 5).

Det är allmänt accepterat att ta den optimala huvudförskjutningen högst 1 mm. I detta fall är förskjutningen vinkelrätt mot skanningsplanet ("huvud - ben" -riktningen) betydligt sämre för korrekt statistisk bearbetning av resultaten än förskjutningen i skanningsplanet. I detta skede används den styva kroppsomvandlingsalgoritmen - en rumslig transformation där endast objektets position och orientering ändras och dess storlek eller form är konstant. I praktiken ser behandlingen så ut: en referens (vanligtvis den första) funktionella volymen för bilder väljs, och alla efterföljande funktionella volymer är matematiskt anpassade till det, liknande hur vi justerar pappersark i en bunt.

2. Korrelation mellan funktionella och anatomiska data.

Skillnaderna i motivets position minimeras. Datorbearbetning och jämförelse av högupplösta anatomiska data och mycket låga funktionella data utförs också för möjligheten till efterföljande lokalisering av aktiveringszoner.

fikon. 5: Ett exempel på en patients förskjutning av huvudet under en skanning medan han utför ett motoriskt paradigm. I den övre delen av figuren finns en kurva över motivets huvudrörelse i tre ömsesidigt vinkelräta plan: Mittkurvan återspeglar patientens förskjutning längs z-axeln ("huvud-ben" -riktningen), och den avviker tydligt i början av rörelsen och i slutet. Längst ner - statistiska kartor över aktivering av samma ämne utan rörelsekorrigering. Identifierade typiska artefakter från rörelse i form av halvringar längs kanten av hjärnämnet

Dessutom minimeras skillnader i samband med olika skanningslägen (vanligtvis för funktionsdata är detta "gradienteko" -läge, för anatomiska data - T1). Så kan gradienteko-läget ge en viss sträckning av bilden längs en av axlarna jämfört med strukturerade bilder med hög upplösning.

3. Rumslig normalisering. Det är känt att formen och storleken på den mänskliga hjärnan varierar mycket. För att jämföra data som erhållits från olika patienter, liksom för att bearbeta hela gruppen som helhet, används matematiska algoritmer: den så kallade affintransformationen. I det här fallet sker transformationen av bilder från enskilda delar av hjärnan - stretching, komprimering, stretching etc. - med senare minskning av strukturella data till ett enda rumsligt koordinatsystem.

För närvarande är de vanligaste inom fMRI två system med rumsliga koordinater: Thalerash-systemet och Montreal Neurological Institute-systemet. Den första utvecklades av den franska neurokirurgen Jean Talairach 1988 baserat på posthum hjärnmätningar av en 60-årig fransk kvinna. Sedan gavs koordinaterna för alla anatomiska regioner i hjärnan i förhållande till referenslinjen som förbinder de främre och bakre kommissionerna. Vilken som helst hjärna kan placeras i detta stereotaxiska utrymme, och intressanta områden kan beskrivas med hjälp av ett tredimensionellt koordinatsystem (x, y, z). Nackdelen med ett sådant system är data från bara en hjärna. Därför är det mer populära systemet utvecklat vid Montreal Neurological Institute (MNI) baserat på den totala beräkningen av T1-data från 152 kanadensare.

Även om räkningen sker i båda systemen från linjen som förbinder de främre och bakre kommissionerna, är koordinaterna för dessa system inte identiska, särskilt när de närmar sig hjärnans konvexitala ytor. Detta bör man ha i åtanke när man jämför de erhållna resultaten med uppgifterna från andra forskares verk.

Det bör noteras att detta processsteg inte används för preoperativ kartläggning av funktionella aktiveringszoner i neurokirurgi, eftersom syftet med fMRI i en sådan situation är att exakt utvärdera lokaliseringen av dessa zoner i en viss patient.

4. Utjämning. Rumslig normalisering är aldrig korrekt, därför är homologa regioner, och följaktligen deras aktiveringszoner, inte motsvarar varandra med 100%. För att uppnå en rumslig överlappning av liknande aktiveringszoner i en grupp av försökspersoner, för att förbättra signal-till-brusförhållandet och därmed förbättra tillförlitligheten hos data, appliceras en Gauss-utjämningsfunktion. Kärnan i detta skede av bearbetning ligger i "erosionen" av aktiveringszonerna för varje ämne, vilket resulterar i att områdena för deras överlappning ökar i gruppanalys. Nackdel - rumslig upplösning går förlorad.

Nu kan vi äntligen gå direkt till den statistiska analysen, vilket resulterar i att vi får information om aktiveringszonerna i form av färgkartor överlagda på de anatomiska data. Samma data kan

Funktionell magnetisk resonansavbildning

Statistik: p-va / ues justerade för sökvolym

inställd nivå icke-lsotroplc justerad klusternivå voxel-nivå

R "- - - ---- mm mm mm

^ conected "E ^ okorrigerad PFWE-con ^ FDR-con T (Y ^ okontrollerad

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

fikon. 6: Ett exempel på presentation av resultaten av statistisk efterbehandling. Vänster - aktiveringszoner under körningen av det motoriska paradigmet (höja - sänka höger pekfinger), i kombination med en volumetrisk rekonstruktion av hjärnan. Höger - statistik för varje aktiveringszon

presenteras i digitalt format som indikerar den statistiska betydelsen av aktiveringszonen, dess volym och koordinater i det stereotaxiska utrymmet (Fig. 6).

Tillämpning av fMRI_

I vilka fall utförs fMRI? Först för rent vetenskapliga ändamål: detta är en studie av den normala hjärnans funktion och dess funktionella asymmetri. Denna teknik har återupplivat forskarnas intresse för att kartlägga hjärnfunktioner: utan att ta till invasiva interventioner kan du se vilka områden i hjärnan som är ansvariga för en viss process. Kanske har det största genombrottet varit att förstå högre kognitiva processer, inklusive uppmärksamhet, minne och verkställande funktion. Sådana studier gjorde det möjligt att använda fMRI för praktiska ändamål som är långt ifrån medicin och neurovetenskap (som en ljoddetektor, i marknadsföringsforskning etc.).

Dessutom används fMRI aktivt i praktisk medicin. För närvarande används denna teknik i stor utsträckning i klinisk praxis för preoperativ kartläggning av huvudfunktionerna (motor, tal) innan neurokirurgiska ingrepp för massor av hjärnan eller obotlig epilepsi. Det finns till och med ett officiellt dokument i USA - en praktisk guide sammanställd av American College of Radiology och American Society of Neuroradiology, där hela förfarandet beskrivs i detalj.

Forskare försöker också införa fMRI i rutinmässig klinisk praxis för olika neurologiska och mentala sjukdomar. Huvudmålet med många arbeten inom detta område är att utvärdera förändringar i hjärnans funktion som svar på skada på en eller annan del av dess delar - förlust och (eller) byte av zoner, deras förskjutning etc., samt dynamisk observation av omstruktureringen av aktiveringszoner som svar på medicinering. terapi och (eller) rehabiliteringsåtgärder.

I slutändan kan fMRI-studier som utförs på patienter i olika kategorier hjälpa till att bestämma det prognostiska värdet för olika alternativ för funktionell omorganisering av cortex för att återställa nedsatta funktioner och utveckla optimala behandlingsalgoritmer.

Möjliga forskningsfel_

När du planerar fMRI bör du alltid tänka på olika kontraindikationer, begränsningar och möjliga

källor till fel i tolkningen av data erhållna för både friska frivilliga och patienter.

Dessa inkluderar:

Eventuella faktorer som påverkar neurovaskulär interaktion och hemodynamik och, som en konsekvens, FETT kontrast; därför är det alltid nödvändigt att ta hänsyn till möjliga förändringar i cerebralt blodflöde, till exempel på grund av ocklusioner eller allvarliga stenoser i huvudartärerna i huvudet och halsen, med vasoaktiva läkemedel; fakta om en minskning eller till och med inversion av BOLD-svaret hos vissa patienter med maligna gliomas på grund av försämrad autoregulering är också kända;

Ämnet har kontraindikationer som är gemensamma för varje MR-undersökning (pacemaker, klaustrofobi, etc.);

Metallstrukturer i området för ansikts- (cerebrala) delar av skallen (icke avtagbara proteser, klipp, plattor etc.), som ger uttalade artefakter i läget "gradienteko";

Brist (svårighet) samarbete från ämnets del under uppgiften, förknippad med både hans kognitiva status och med en minskning av syn, hörsel etc., samt brist på motivation och vederbörlig uppmärksamhet på uppgiften;

Uttryckt motivets rörelse under utförande av uppgifter;

Felaktigt planerad studiedesign (val av kontrolluppgift, varaktighet för block eller hela studien, etc.);

Noggrann utveckling av uppgifter, som är särskilt viktiga för klinisk fMRI, såväl som i studien av en grupp människor eller samma ämne i dynamik för att jämföra de erhållna aktiveringszonerna; uppgifterna bör vara reproducerbara, det vill säga de ska vara desamma under hela studietiden och är tillgängliga för genomförande av alla ämnen; en av de möjliga lösningarna för patienter som inte självständigt kan utföra uppgifter relaterade till rörelse är användningen av passiva paradigmer med olika enheter för att sätta rörelserna i rörelse;

Fel val av skanningsparametrar (ekotid - TE, repetitionstid - TR);

Felaktigt inställda parametrar för efterbehandling av data i olika stadier;

Felaktig tolkning av erhållna statistiska data, felaktig kartläggning av aktiveringszoner.

Slutsats

Trots ovanstående begränsningar är fMRI en viktig och mångsidig modern neuroimaging-teknik som kombinerar fördelarna med hög rumsupplösning och icke-invasivitet med avsaknad av behovet av intravenös kontrast

förstärkning och exponering för strålning. Denna teknik är emellertid mycket komplex, och för en framgångsrik uppfyllande av uppgifterna för forskaren som arbetar med fMRI krävs ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt - som inte bara involverar neuroradiologer utan också biofysiker, neurofysiologer, psykologer, logopeder, kliniker och matematiker i studien. Endast i detta fall är det möjligt att använda fMRI: s fulla potential och få verkligt unika resultat.

Referenslista

1. Ashburner J., Friston K. Multimodal bildkorregistrering och partitionering - en enhetlig ram. Neurolmage 1997; 6 (3): 209-217.

2. Brian N. Pasley, Ralph D. Freeman. Neurovaskulär koppling. Scholarpedia 2008; 3 (3): 5340.

3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. Effekt av ålder och tumörgrad på Bold funktionell MR-avbildning i preoperativ bedömning av patienter med gliom. Radiologi 2008; 3: 971-978.

4. Filippi M. fMRI-tekniker och protokoll. Humana press 2009: 25.

5. Friston K. J., Williams S., Howard R. et al. Rörelserelaterade effekter i fMRI-tidsserier. Magn. Reson. Med. 1996; 35: 346-355.

6. Glover, G.H., Lai S. Självnavigerad spiral fMRI: Interleaved versus single-shot. Magn. Reson. Med. 1998; 39: 361-368.

7. Haller S, Bartsch A.J. Fallgropar i fMRI. Eur. Radiol. 2009; 19: 2689-2706.

8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. et al. Blodens syresättningsnivåberoende MR av cerebral gliomas under andetagshållning. J. Magn. Reson Imaging 2004; 2: 160-167.

9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. Funktionell magnetisk resonansavbildning. Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.

10. Ogawa S., Lee T.M. Bild av magnetisk resonans av blodkärl vid höga fält: in vivo och in vitro mätningar och bildsimulering. Magn. Reson. Med. 1990; 16 (1): 9-18.

Förändringar i blodflödesaktivitet registreras genom funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI). Metoden används för att bestämma lokaliseringen av artärer, för att utvärdera mikrocirkulationen av centra för syn, tal, rörelse, cortex hos vissa andra funktionella centra. Det speciella med kartläggning är att patienten uppmanas att utföra vissa uppgifter som ökar aktiviteten hos det önskade hjärncentret (läsa, skriva, prata, flytta benen).

I det sista steget bildar programvaran en bild genom att summera konventionella tomogram för lager och lager och bilder av hjärnan med funktionell belastning. Informationskomplexet visar en 3D-modell. Rumslig modellering tillåter specialister att studera objektet i detalj.

Tillsammans med MRI-spektroskopi avslöjar studien alla egenskaperna hos metabolism av patologiska formationer.

Principer för funktionell MRI i hjärnan

Magnetresonansavbildning baseras på registreringen av den förändrade radiofrekvensen för väteatomer i flytande media efter exponering för ett starkt magnetfält. Klassiska genomsökningar visar mjukvävnadskomponenter. För att förbättra synligheten hos fartygen utförs intravenös kontrast med paramagnetisk gadolinium.

Funktionell MRI registrerar aktiviteten i enskilda områden i hjärnbarken med hänsyn till den magnetiska effekten av hemoglobin. Efter frigörandet av en syremolekyl till vävnaderna blir ämnet en paramagnet vars radiofrekvens fångas upp av apparatsensorerna. Ju mer intensiv blodtillförseln till hjärnan parenkym, desto bättre signal.

Vävmagnetisering förstärks ytterligare genom glukosoxidation. Ämnet är nödvändigt för att säkerställa processerna för nervvävnadsandning av neuroner. Förändringen i magnetisk induktion registreras av sensorerna på enheten och behandlas av programvaran. Enheter med hög fält skapar högkvalitativ upplösning. Tomogrammet visar en detaljerad bild av delar upp till 0,5 mm i diameter.

Funktionell MR-undersökning registrerar signalen inte bara från basala ganglier, cingulatbark, talamus, men också från maligna tumörer. Neoplasmerna har sitt eget vaskulära nätverk, genom vilket glukos och hemoglobin kommer in i formationen. Genom att spåra signalen kan du studera konturerna, diametern, djupets penetrationsdjup i den vita eller grå substansen.

Funktionell diagnostik av MRI i hjärnan kräver en radiologs kvalifikationer. Olika zoner i cortex kännetecknas av olika mikrocirkulationer. Mättnad med hemoglobin, glukos påverkar signalkvaliteten. Syremolekylens struktur, närvaron av alternativa substitut för atomer bör beaktas.

Ett starkt magnetfält ökar halveringstiden för syre. Effekten fungerar när enhetens effekt är mer än 1,5 Tesla. Svagare attityder kan inte undvika att undersöka hjärnans funktionella aktivitet.

Det är bättre att bestämma metabolismintensiteten hos tumörblodtillförseln med högfältutrustning med en kapacitet på 3 Tesla. Med hög upplösning kan du registrera ett litet fokus.

Signaleffektivitet kallas vetenskapligt "hemodynamiskt svar". Termen används för att beskriva hastigheten på neurala processer med ett intervall på 1-2 sekunder. Blodtillförseln till vävnader är inte alltid tillräcklig för funktionella studier. Kvaliteten på resultatet förbättras genom ytterligare administrering av glukos. Efter stimulering inträffar mättnadstoppen efter 5 sekunder när skanningen utförs.

Tekniska egenskaper för funktionell undersökning av hjärnans MRT

Funktionell diagnostik av MRI baseras på en ökning av nervcellernas aktivitet efter stimulering av hjärnaktivitet av en person som utför en specifik uppgift. En extern stimulans orsakar stimulering av den sensoriska eller motoriska aktiviteten hos ett specifikt centrum.

För platsspårning aktiveras gradientekoläget baserat på en pulsad ekoplanär sekvens.

Analys av kärnsignalen på MRI görs snabbt. Registrering av ett tomogram utförs med ett intervall på 100 ms. Diagnos utförs efter stimulering och under vila. Programvaran använder tomogram för att beräkna fokus på neuronal aktivitet, överlager områden med förstärkt signal på en tredimensionell modell av hjärnan i vila.

För de behandlande läkarna ger denna typ av MRI information om patofysiologiska processer som inte kan spåras med andra diagnostiska metoder. Studien av kognitiva funktioner är nödvändig för neuropsykologer för att differentiera mentala och psykologiska sjukdomar. Studien hjälper till att verifiera epileptiska foci.

Den sista kartläggningskartan visar mer än bara områden med ökad funktionell stimulering. Bilderna visualiserar zonerna för sensorimotorisk, hörande talaktivitet kring det patologiska fokuset.

Kartlägga platsen för hjärnkanalerna kallas traktografi. Den funktionella betydelsen av platsen för det optiska, pyramidala området innan planering av kirurgi gör det möjligt för neurokirurger att korrekt planera placeringen av snitten.

Vad fMRI visar

MRT med högt fält med funktionella tester föreskrivs enligt indikationer när det krävs för att studera den patofysiologiska grunden för funktionen av motoriska, sensoriska, visuella, hörselzoner i hjärnbarken. Neuropsykiologer använder studien på patienter med nedsatt tal, uppmärksamhet, minne, kognitiva funktioner.

Med hjälp av fMRI upptäcks ett antal sjukdomar i det inledande skedet - Alzheimers, Parkinson, demyelinisering vid multipel skleros.

Funktionsdiagnostik i olika medicinska centra utförs på olika installationer. Vet vad MR-hjärnan visar, diagnostiker. En specialistkonsultation krävs innan undersökningen.

Högkvalitativa resultat uppnås genom skanning med ett starkt magnetfält. Innan du väljer ett medicinskt center rekommenderar vi att du tar reda på typen av installerad enhet. Kvalifikationerna hos en specialist som måste ha kunskap om den funktionella, strukturella komponenten i hjärnan är viktig.

Framtiden för funktionell MR-diagnostik inom medicinen

Funktionell forskning har nyligen introducerats i praktisk medicin. Metodens möjligheter har inte använts tillräckligt.

Forskare utvecklar tekniker för att visualisera drömmar, läsa sinnen med hjälp av funktionell MRI. Det föreslås att man använder tomografi för att utveckla en metod för att kommunicera med förlamade personer.

• Neural excitability;
• Mental aktivitet;
• Graden av mättnad i hjärnbarken med syre, glukos;
• Mängden deoxylerat hemoglobin i kapillärerna;
• Områden med ökat blodflöde;
• Oxyhemoglobinnivå i blodkärl.

Forskningens meriter:

1. Tillfällig bild av hög kvalitet;
2. Rymdupplösning över 3 mm;
3. Förmågan att studera hjärnan före och efter stimulering;
4. Oskadlighet (jämfört med PET);
5. Brist på invasivitet.

Den massiva användningen av hjärnans funktionella MRI begränsas av de höga kostnaderna för utrustning, varje enskild undersökning, omöjligheten för direkt mätning av neuronaktivitet, det är omöjligt att göra för patienter med metallinklusioner i kroppen (vaskulära klämmor, öronimplantat).

Registrering av den funktionella metabolismen i hjärnbarken är av stort diagnostiskt värde, men det är inte en korrekt indikator för den dynamiska bedömningen av förändringar i hjärnan under behandlingen efter operationen.

Funktionell magnetisk resonansavbildning är en typ av klassisk MRI. Skillnaden mellan dessa två liknande tekniker är att den första versionen behövs för att identifiera hemodynamiska parametrar. Det handlar om att kontrollera för eventuella förändringar i blodflödet när specialzoner i hjärnan aktiveras.

Undersökningen bygger på principen att spåra den ökade aktiviteten i det studerade området genom att ta hänsyn till ökningen eller minskningen av blodflödet till en viss punkt. Så snart aktiviteten hämmar, eller tvärtom - den ökar, ändras parametrarna för blodrörelse i den studerade vaskulära bädden.

Tack vare ett så känsligt arbete visar det sig att samla in primär information om sjukdomar relaterade till neurodegenerativa lesioner. Vi pratar om psykiska störningar, upp till schizofreni och vissa specifika motoriska patologier.

Resultaten av studien förvandlas ofta till en slags navigatör för efterföljande planering av operationer för att ta bort hjärnneoplasmer av onkologisk natur. Med hjälp av ett specifikt "kort" minskar läkarna risken för skador på motor- och talcentret under operationen, vilket eliminerar riskerna för biverkningar.

Fördelarna med fMRI

Utvecklingen av teknik i denna riktning tog över medicinens värld för cirka trettio år sedan. Sedan dess har neuroimaging, även kallad den funktionella bildenheten för magnetisk resonans, varit efterfrågad. En av de viktigaste fördelarna med metoden är icke-invasivitet. Detta betyder avsaknaden av smärtsamma upplevelser under manipulationen.

Bland andra positiva aspekter är det värt att lyfta fram testpersonens säkerhet. Till skillnad från många andra diagnostiska format, där skadlig strålningsexponering är involverad, tillhandahålls det inte här.

Studien är mycket uppskattad av läkare för dess förmåga att ge en bra rumslig och temporär upplösning. Uppgifterna som samlas in med dess hjälp kan användas i framtiden för vidare forskning. Mest av allt är de intresserade av läkare inom området psykologi, psykoterapi, psykoanalys.

Genom att samla in sådan information under de senaste åren har vi lärt oss att förstå arten av bildandet av minnen, språkuppfattningen, förmågan att lära sig och också uppleva känslor eller smärta.

Om läkaren har utsett en sådan procedur är det absolut nödvändigt att bara välja de senaste utrustningsmodellerna för att ge dig själv ett antal fördelar:

• förbättrad visualiseringskvalitet;
• ökad undersökningshastighet med en mer detaljerad slutlig bild.

För att påskynda processen för insamling av erforderlig information erhålls på grund av magnetfältets höga spänning, vilket minskar tiden under skannern. Den presenterade artikeln verkar särskilt relevant för patienter som lider av neurodegenerativa avvikelser eller störningar i det psykologiska centret.

Utöver det faktum att den insamlade informationen blir grunden för kirurgisk ingripande, behövs den för ett antal andra användbara syften. Det handlar om att använda testresultaten för att kontrollera patientens nuvarande tillstånd. Med hjälp av informativa markörer för att kontrollera dynamiken och utvärdera utvecklingen av neurodegenerativa sjukdomar är det möjligt att övervaka effektiviteten hos den föreskrivna behandlingen. Vid behov kan specialisten besluta att korrigera den tidigare etablerade terapiförloppet, vilket är typiskt för de som lider:

• parkinsons sjukdom;
• alzheimers sjukdom;
• mentala störningar.

Allt ovanstående blev möjligt på grund av det faktum att tekniken har lärt sig att bestämma aktiveringen av ett specifikt område i hjärnan vid den typiska funktionen. Men samtidigt kan läkaren ansluta fysiska faktorer från tredje part, till exempel en förändring av läget för undersökning.

Hur det fungerar?

Läkarna själva kallar fullskalig neuroimaging inte bara fMRI, utan en hel komplex strategi som syftar till att bedöma hjärnaktivitet. Detta kräver en visuell form som gör det möjligt att registrera funktionerna i dess livslängdsstruktur, tillsammans med distinkta funktioner i dess funktion. I stället för klassiska röntgenstrålar föredras fenomenet kärnmagnetisk resonans.

Schematiskt är enheten för att ta en bild en tomograf, där en enorm elektromagnet med hög effekt är dold. Den är placerad i anordningens cylindriska rör. Den genomsnittliga skanningsnivån är en fältstyrka på cirka 3 Tesla. Detta är cirka 50 tusen gånger mer än vad jordens magnetfält kan erbjuda.

När den aktiveras börjar mekanismen påverka atomkärnorna. Grunden här är det kaotiska arrangemanget av atomkärnor, som under påverkan av ett magnetfält börjar anpassa sig till riktningen för det specificerade fältet. Ju högre fältstyrka, desto tydligare blir konsistensen.

När de små magnetiska signalerna från alla kärnor samlas, blir signalen mer kraftfull, vilket gör att den kan spåras och mätas. För den presenterade tekniken tas vätekärnor som en bas, som sedan ger visualisering:

• grå materia;
• vit materia;
• cerebrospinalvätska.

Ur fysiologisk synvinkel förklaras möjligheten att mäta hjärnaktivitet genom reaktionen av syre när man kommer in i neuroner från kapillärnätet med hjälp av hemoglobin. Så snart neuronernas aktivitet ökar finns det ett ökat behov av syre. Fysiologiskt svarar kroppen på behovet av en ökad dos syre med hög nervös aktivitet.

Hur görs funktionell MRI?

MRI: s funktionella analog utförs lite annorlunda än den klassiska läsningen av proceduren. Först skickas patienten till skannertunneln och uppmanas sedan att följa laboratoriets assistent. För detta har enheten en tvåvägskommunikation för att göra det lättare att kontakta medicinsk personal även i oförutsedda situationer.

Samtidigt med att utföra uppgifter registrerar programmet anatomiska sektioner och funktionella T2-viktade bilder. Uppgifterna ger omväxling av vila med motorisk, mental aktivitet.

De viktigaste skälen till undersökningen kallas:

• preoperativa förberedande åtgärder;
• riskbedömning av komplikationer efter operationen;
• diagnostisera mentala avvikelser;
• förberedelse för den invasiva fasen av hjärnutforskning - kortkartläggning.

Trots de betydande fördelarna har tekniken flera viktiga kontraindikationer. Testning utförs inte om offeret har elektroniska mekanismer installerade i kroppen. Vi pratar inte bara om en pacemaker utan också elektroniska implantat för att stabilisera mellanöratets aktivitet.

Patienter med hemostatiska klipp eller främmande metallföremål förbjöds också. En annan kontraindikation, men redan av relativ karaktär, är njursvikt.

Jag är glad att ingen specifik beredning krävs av patienten. Det räcker bara att följa reglerna i de tidigare angivna instruktionerna, enligt laboratoriets assistent.

Specialitet: barnläkare, specialist på infektionssjukdomar, allergist-immunolog.

Total erfarenhet: 7 år .

Utbildning:2010, Siberian State Medical University, barn, barnläkare.

Mer än 3 års erfarenhet som specialist på infektionssjukdomar.

Har ett patent på "En metod för att förutsäga en hög risk för bildning av kronisk patologi i adeno-tonsillar-systemet hos ofta sjuka barn." Och även författaren till publikationer i tidskrifterna för kommittén för högre attestation.

Funktionell magnetisk resonansavbildning av hjärnan är en typ av studie som gör att du kan mäta de hemodynamiska reaktionerna av blodflödet orsakat av ett organs funktion.

I modern medicin är detta en av de viktigaste metoderna för att studera hjärnprocesser.

Principer för funktionell MRI i hjärnan

Funktionell MRI hjälper till att identifiera patologier i betydande delar av hjärnan. Apparatens driftprincip är ganska enkel: hjärnan förbrukar energi och ju mer aktiv denna process är, desto mer näringsämnen och syre behöver den ta emot. Allt detta kommer in i organet med blodomloppet. Det är MR som hjälper till att se områden med långsam och ökad blodcirkulation och förstå hur hjärnan hanterar detta eller det problemet.

Diagnostiska åtgärder förknippade med kärnmagnetisk resonans, inklusive funktionell tomografi, har följande fördelar:

1. Bilden som visas på enhetens skärm är mycket tydlig. Studien anses inte bara vara en av de mest exakta, utan ger också en bild av högsta kvalitet.
2. Kort forskningstid. Magnetfältet har en hög intensitet, vilket gör det möjligt att avsevärt minska diagnostiden. Detta är särskilt bekvämt för personer som lider av neurodegenerativa patologier, psykisk sjukdom, (BAD).
3. Resultat med hög precision. Om kirurgisk ingripande på ett organ krävs är det viktigt för läkaren att få tillförlitlig information om tillståndet och lokaliseringen av tumören, vilket möjliggör uteslutning av rörelse, tal, syn och andra störningar efter dess excision. Med hjälp av funktionell MRI är det möjligt att exakt bedöma risken för sådana konsekvenser och fatta det slutliga beslutet om tumörens funktionsduglighet.

Med vilka egenskaper hos de förändringar som identifierats med funktionell magnetisk resonansavbildning är det möjligt att bestämma prognosen för en viss sjukdom, behandlingseffektiviteten.

Tekniska funktioner

Apparaten för magnetisk resonansavbildning består av:

• patientbord;
• en dator med en bildskärm till vilken bilden matas;
• radiofrekvens och gradientsystem;
• magnet.

Ett konstant magnetfält med en kraft uttryckt i Teslas (T) tillförs från magneten. Med tanke på styrkan är apparaten indelad i låggolv, medellång, högfält, ultrahög fält. Inom modern medicin är den mest populära en tomfält med hög fält med en effekt på 1,5 Tesla.

Med tanke på designen är apparaten indelad i stängd och öppen. Den första presenteras i form av en tunnel, där ett bord med en sängpatient placeras. Det finns ingen tunnel i öppna enheter, vilket gör det möjligt att tilldela diagnostik till personer som har en fobi av trångt utrymme.

Indikationer och kontraindikationer för fMRI

Klassificering av MR enligt funktionella egenskaper gör det möjligt att dela upp studien i flera typer:

• undersökning av hjärnan: med hjälp av det erhålls en detaljerad bild av halvkloterna, bagageutrymmet för närvaro av neoplasmer, infektiösa och inflammatoriska skador, medfödda avvikelser;
• forskning: med hjälp av MRI studerar de den inre strukturen i hjärnan, upptäcker tumörliknande neoplasmer i körtlarna;
• huvudundersökning (inklusive MRI i livmoderhalsryggraden med funktionella tester, MRT av de temporomandibulara lederna med funktionella tester): i detta fall kan orsaken diagnostiseras om den inte har gett ett exakt resultat.

Dessutom föreskrivs diagnostik för att identifiera fokus, för att fastställa orsaken till en kränkning av funktioner som minne, tal, uppmärksamhet. Funktionell MRT är ett effektivt sätt att identifiera vissa patologier som förekommer i steg 1, till exempel för att identifiera områden med, diagnostisera sjukdomar etc.

Trots metodens utbredning har den kontraindikationer för utnämningen, som är indelad i absolut och relativ. Bland de första:

• närvaron av en pacemaker;
• förekomsten av ferromagnetiska eller elektroniska implantat i mellanörat;
• närvaron av en ferromagnetisk Ilizarov-apparat.

Relativa kontraindikationer inkluderar:

• närvaron av ett icke-ferromagnetiskt implantat i det inre örat;
• närvaron av hemostatiska klipp;
• utvecklingen av hjärtsvikt i dekompensationsstadiet;
• graviditet i första trimestern;
• rädsla för att vara i ett slutet utrymme (fobi);
• allvarlig psykisk störning eller allmänt tillstånd;
• närvaron av en tatuering, som tillverkas med användning av ett färgämne som innehåller metallföreningar;
• förekomsten av proteser och hängslen.

Tomografi med ett kontrastmedel utförs inte med samtidig hemolytisk anemi, överkänslighet mot kontrast, med kronisk leversvikt, under graviditet.

Procedursteg

Innan fMRI krävs ett blodprov för kreatinin, dess kvantitativa indikator. Du måste ta ditt pass, en remiss från en läkare och resultaten av tidigare diagnostiska åtgärder med dig till kontoret.

Under proceduren inträffar inga fysiska känslor eller andra obehag. Det finns bara ljud som du inte kan höra genom att använda speciella öronproppar eller hörlurar.

En person måste ta av alla metallföremål, lämna dem på en speciellt utsedd plats. Sedan ligger motivet på apparatens bord, sätter på öronproppar (eller hörlurar). Vid behov är den nödvändiga delen av kroppen fixerad.

I undantagsfall, om en person inte kan förbli rörlig, ges han generell anestesi. För att öka informationsinnehållet i resultaten kan det vara nödvändigt att administrera intravenös kontrast.

Studiens varaktighet varierar från 10 till 30 minuter. Diagnosresultat kan erhållas på några minuter.

Var kan du få en funktionell MRI och hur mycket kostar det?

Computertomografimaskiner installeras i många privata och offentliga medicinska institutioner. Kostnaden för forskning startar från 4-5 tusen rubel. Om en kontrastanalys krävs, stiger priset till 7-8 tusen rubel.

Funktionell magnetisk resonansavbildning är en effektiv metod för att diagnostisera hjärnan, vilket möjliggör en detaljerad undersökning av ett organ för specifika patologier. Innan du gör det är det dock nödvändigt att väga alla för- och nackdelar och även utesluta kontraindikationer. Detta är det enda sättet att få ett tillförlitligt resultat.

Det ger forskaren mycket information om den anatomiska strukturen hos ett organ, vävnad eller annat föremål som faller in i synfältet. Men för att bilda en helhetsbild av de pågående processerna finns det inte tillräckligt med data om funktionell aktivitet. Och för detta finns det bara FETT-funktionell magnetisk resonansavbildning (FETT - blodsyrenivåberoende kontrast, eller kontrast, beroende på graden av blodsyrenation).

BOLD fMRI är en av de mest använda och allmänt erkända metoderna för att mäta hjärnaktivitet. Aktivering leder till en ökning av det lokala blodflödet med en förändring i den relativa koncentrationen av syresatt (syre-rik) och deoxygenerat (syrefattigt) hemoglobin i det lokala blodflödet.

Figur 1.Schema reaktioner cerebral blodflöde i svar på excitation neuroner.

Deoxygenerat blod är paramagnetiskt (ett ämne som kan magnetiseras) och leder till en minskning av nivån på MR-signalen. Om det finns mer syresatt blod i hjärnområdet ökar nivån på MR-signalen. Sålunda fungerar syre i blodet som ett endogent kontrastmedel.

Fig. 2Volym cerebral blodtillförsel (och) och DJÄRV-svar fMRI (b) på aktivering primär motor barkmänsklig. Signal passerar i 4 stadier. 1 skede – på grund av aktivering neuroner stiger konsumtionsyre, ökar kvantitet deoxygenerad blod, DJÄRV— signal liten minskar (på grafikinte visad, minska obetydlig). fartyg bygga ut, på grund av vad flera minskarblodtillförsel cerebral tyger. Skede 2 – lång öka signal. potential handlingar neuronerändarna, men flöde syresatt blod ökar tröghet, eventuellt på grund av påverkanbiokemisk markörer hypoxi. Skede 3 – lång nedgång signal på grund av normaliseringblodtillförsel. 4 skede – efter stimulering lågkonjunktur – kallade långsam ombyggnad initialenblodtillförsel.

För att aktivera neuronarbetet i vissa områden i cortex finns det speciella aktiveringsuppgifter. Uppgiftsdesign kan som regel vara av två typer: "blockera" och "händelsrelaterat". Varje typ antar förekomsten av två växlande faser - ett aktivt tillstånd och vila. I klinisk fMRI används uppgifter av typen "block" oftare. Genom att utföra sådana övningar växlar motivet de så kallade ON- (aktiva tillstånd) och OFF- (viloläge) perioderna av samma eller ojämn varaktighet. Till exempel, när man bestämmer området för cortex som är ansvarigt för handrörelser, består uppgifterna av växlande fingerrörelser och perioder av inaktivitet, varar i genomsnitt cirka 20 sekunder. Stegen upprepas flera gånger för att öka noggrannheten för fMRI-resultatet. I den händelsrelaterade uppgiften utför subjektet en kort åtgärd (till exempel att svälja eller knyta en knytnäve), följt av en viloperiod, medan handlingarna, i motsats till blockdesignen, växlar ojämnt och inkonsekvent.

I praktiken används BOLD fMRI vid preoperativ planering av tumörresektion (borttagning), vid diagnos av vaskulära missbildningar, vid operationer för svåra former av epilepsi och andra hjärnskador. Under hjärnkirurgi är det viktigt att ta bort det drabbade området så exakt som möjligt, samtidigt som man undviker onödiga skador på angränsande funktionellt viktiga områden i hjärnan.

Fig. 3

och – tredimensionell MRI— bild huvud hjärna. Pil indikerade plats motor bark iprecentral gyrus.

b – karta fMRI—aktivitet hjärna i precentral gyrus på rörelse hand.

Metoden är mycket effektiv i studien av degenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinson, särskilt i de tidiga stadierna. Det innefattar inte användning av joniserande strålning och röntgenkontrastmedel, dessutom är det icke-invasivt. Därför kan det betraktas som ganska säkert för patienter som behöver långa och regelbundna fMRI-undersökningar. FMRI kan användas för att studera mekanismerna för bildning av epileptiska anfall och undvika avlägsnande av det funktionella cortex hos patienter med oskadlig epilepsi i frontalben. Övervaka hjärnåterhämtning efter stroke, studera effekterna av läkemedel eller andra terapier, övervaka och övervaka behandlingen av psykiatriska sjukdomar - detta är inte en fullständig lista över möjliga användningar av fMRI. Dessutom finns fMRI som vilar, där sofistikerad databehandling gör att man kan se hjärnanätverk fungera i vila.

källor:

1. Hur väl förstår vi neurala ursprung för fMRI BOLD-signalen? Owen J. Arthur, Simon Boniface. TRENDS in Neurosciences Vol.25 No.1 januari 2002
2. Fysiken för funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) R. B. Buxton. Rep. Prog. Phys. 76 (2013)
3. Användning av funktionell magnetisk resonansavbildning i kliniken. Vetenskaplig översyn. Belyaev A., Peck Kung K., Brennan N., Kholodny A. Rysk elektronisk tidskrift för radiologi. Volym 4 nr 1 2014
4. Hjärna, kognition, sinne: en introduktion till kognitiv neurovetenskap. Del 2 . B. Baars, N. Gage. M .: Binom. 2014 S. 353-360.

Text: Daria Prokudina