спектроскопия головного мозга что это
Спектроскопия головного мозга что это
Первые попытки получения магнитно-резонансного (МР) спектра мозгового вещества основывались на использовании ядра фосфора 31 P. Первый МР-спектр по фосфору головного мозга крысы был получен B. Chance в 1978 г. [1]. Этот метод позволял исследовать метаболические изменения в энергетическом обмене в веществе мозга крысы. После того как была освоена фосфорная МР-спектроскопия (МРС), ученые переключились с атома фосфора на атом водорода. Основное отличие этих методик заключается в том, что фосфорная МРС позволяет исследовать метаболические изменения в энергетическом обмене тканей, в то время как протонная МРС позволяет получать сведения о химическом составе. Исследования в этой области начинались с изучения свойств тканевой воды. Впервые протонный спектр вещества мозга человека получили P. Bottmley и соавт. [1] в 1984 г. при использовании 1.5Т МР-томографа. В 1994 г. FDA (U.S. Food and Drug Administration) одобрила применение импульсной последовательности PROBE (PROton Brain Examination) для проведения одновоксельной МРС в клинике. Далее вышла достаточно большая серия работ, посвященных клиническому использованию протонной МРС, которые касались многих диагностических аспектов, включая дифференциальную диагностику опухолевых и неопухолевых образований головного мозга [2], оценку степени злокачественности глиальных опухолей [3], изучение ишемии [4] и многое другое [5—7]. Следующим шагом в освоении МРС на основе развития вычислительной техники и электроники стала возможность преобразовать спектроскопические данные, представленные в виде пиков отдельных метаболитов, в метаболические цветовые карты. Это позволило более наглядно отображать особенности распределения и соотношение различных метаболитов в здоровых и патологически измененных тканях мозга (рис. 1). 
Рис. 1. Параметрические карты распределения Cho в сагиттальной (а), фронтальной (б) и аксиальной (в) плоскостях. В основе этого метода лежало использование картирования большой области мозга многовоксельным объемом, который позволяет локализовать в мозге от 16 до 64 вокселей одновременно [1]. С помощью метаболических карт возможно оценить характер распределения изучаемого метаболита в любой части исследуемой области.
Постепенно в клиническую практику стала входить не только одновоксельная МРС, но и мультивоксельная (Chemical shift imaging) технология, которая позволяла уже изучать достаточно большую область интереса с включением в нее не только зоны патологии, но и перифокального и даже отдаленного вещества мозга. Появилась возможность за время одного сканирования сравнивать различные участки, например, как внутри самой опухоли, так и за ее пределами. Протонная МРС со временем стала источником важнейшей информации в диагностике различной нейрохирургической патологии: первичных и вторичных опухолей мозга, опухолевых и неопухолевых поражений, продолженного роста опухолей мозга после лечения и постлучевых реакций, инфильтративного роста опухоли в области перитуморального отека и др. [1, 9, 12].
В последнее время прогресс медицинских МРТ-технологий позволил перейти на использование 3D протонной МРС на клинически доступных МР-сканерах. Главным преимуществом 3D-метода над 2D-мультивоксельной спектроскопией стала возможность наложения цветных карт метаболитов или их соотношений на достаточно большой по размерам объем мозга, включающий не только зону измененного мозгового вещества, но даже противоположное полушарие, причем на разных анатомических уровнях (рис. 2). 
Рис. 2. Основные различия МРС-методик. а, б — одновоксельная МРС; в, г — мультивоксельная 2D МРС; д, е — мультивоксельная 3D МРС. Пояснения в тексте.
Цель исследования — оценить возможность применения мультивоксельной 3D протонной МР-спектроскопии у здоровых добровольцев без органической патологии головного мозга с анализом ее информативности в определении соотношений основных метаболитов белого и серого вещества головного мозга.
Материал и методы
Обследованы 15 добровольцев в возрасте от 28 до 62 лет без органической патологии головного мозга (средний возраст 39,7 года). Исследования проводились на МР-томографе Signa HDxt 3.0T (GE, Healthcare) с использованием головной 8-канальной катушки. Все добровольцы подписывали информированное согласие на проведение МР-исследования с включением в протокол МРС. Протокол исследования был одобрен этическим комитетом ФГАУ «НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко». На первом этапе добровольцам выполнялась стандартная МРТ головного мозга в режимах Т1, Т2, T2-FLAIR, ДВИ в аксиальной и сагиттальной проекциях. Далее выполняли последовательности T1 FSPGR и 3D Cube T2, и с помощью функции Batch производилось построение реформатов в аксиальной, фронтальной и сагиттальной проекциях с толщиной среза 3,0 мм и межсрезовым интервалом 1,0 мм. На изображениях в последовательности T1 FSPGR или 3D Cube Т2 выбиралась зона интереса и выставлялась рамка вокселов, включающая в себя выбранную область. С помощью полос сатурации подавлялись сигналы от жировой ткани и воды. В данной методике использовалось не только шиммирование (оптимизация однородности магнитного поля) первого порядка, но также и шиммирование второго порядка.
При 3D МРС используется несколько дополнительных градиентов, действующих по осям Х, Y, Z. Действие этих градиентов приводит к вариации вектора магнитного поля Во. Для получения качественного изображения очень важно, чтобы поле в области интереса было как можно более однородным. Для этого выбирается область, в которой будет проводиться шиммирование по всем плоскостям. Программа производит расчет вариации поля, затем производится коррекция текущей (Current RMS) вариации до теоретического значения (Predicted RMS). Эффективному шиммированию соответствует отличие текущего от теоретического не более чем на 3 ед. С целью получения МР-спектров и параметрических карт нами запускалась последовательность HOS PROBE 3D с ТЕ=144 мс. Контроль качества построения выполнялся в режиме Prep Scan и включал оценку ширины спектральной линии и процент подавления воды. Для аппарата с напряженностью магнитного поля 3,0 T ширина спектральной линии не должна превышать 25 Гц, а процент подавления воды не должен быть ниже 95%.
Данные обрабатывали с помощью программного пакета Ready View (GE). Сетка вокселов, выставленная в зоне интереса, включала в себя структуры как серого, так и белого вещества головного мозга (рис. 3). 
Рис. 3. Сетка вокселов, в пределах которых проводились измерения.
Измерения проводили в участках мозга, представляющих интерес для нашего исследования, а именно в структурах белого вещества мозга (колено, валик и тело мозолистого тела (МТ), белое вещество лобной и теменной долей) и серого вещества головного мозга (височная область, таламус и скорлупа). Измерения проводились на симметричных вокселах правого и левого полушарий головного мозга. Для отдельных вокселов, содержащих белое или серое вещество мозга, получены МР-спектры и проведена оценка индексов основных исследуемых метаболитов, к которым мы относили NAA — N-ацетиласпартат, Cho — холин, Сr — креатин (рис. 4). 
Рис. 4. МР-спектр белого вещества (лобная область) для основных исследуемых метаболитов. NAA — N-ацетиласпартат, Cho — холин, Сr — креатин. При этом мы оценивали отношения основных метаболитов между собой: Cho/NAA; Cho/Cr; NAA/Cr.
NAA — N-ацетиласпартат — аминокислота, которая синтезируется в митохондриях нейронов из аспартата и ацетил-кофермента, А посредством аспартат-N-ацетилтрансферазы (ANAT). NAA содержится в тканях в больших количествах и составляет 1% сухого веса, отвечая при этом за 3—4% суммарной осмолярности [9]. Концентрация в мозговом веществе составляет 6—7 нмоль/г, и в этом N-ацетиласпартат уступает лишь глутамату. Снижение уровня NAA считается достоверным индикатором нейрональной дисфункции и гибели нейронов [10]. Кроме того, установлено, что комплекс NAA выполняет протекторные, антитоксические и антиоксидантные функции, а также, возможно, участвует в процессе перекисного окисления липидов.
Cho — холин (компонент клеточных мембран) — является структурным компонентом более сложного органического фосфорсодержащего соединения — фосфатидилхолина, или лецитина, а также биологически активного ацетил-холина — медиатора нервного импульса. Он участвует в процессе синтеза и деградации фосфолипидов клеточных мембран.
Сr — креатин — участвует в энергетическом обмене клетки. Является поставщиком фосфатных групп для превращения аденозиндифосфата в аденозинтрифосфат. Принято считать, что общий уровень креатина стабилен в разных ситуациях, поэтому пик креатина часто используют в качестве референсного при сопоставлении с пиками других метаболитов [11].
Результатом спектроскопии является спектр, представляющий собой кривую из пиков метаболитов, каждый из которых имеет строго определенное значение резонансной частоты, что отражается в четкой локализации пиков вдоль шкалы относительных резонансных частот, значения которой принято считать в миллионных долях (ppm — parts per million) [12].
Результаты и обсуждение
Сетка вокселов, выставленная в зоне интереса, включала структуры как серого, так и белого вещества головного мозга (см. рис. 2 д, е). Оценка соотношений пиков основных метаболитов произведена в различных вокселах, содержащих белое и серое вещество больших полушарий. Измерения проводились на симметричных участках обоих полушарий головного мозга (табл. 1). 
Таблица 1. Результаты измерения отношений основных метаболитов головного мозга здоровых добровольцев На рис. 5 сопоставлены 
Рис. 5. Отношения основных метаболитов в белом (а) и сером (б) веществе головного мозга здоровых добровольцев. значения отношений основных метаболитов мозга в структурах белого (а) и серого (б) вещества мозга в обоих полушариях.
В белом веществе лобной и теменной области статистически значимых отличий между отношениями всех метаболитов не выявлено. Однако в области колена МТ отношение NAA/Cr, равное 2,00±0,43, оказалось значимо ниже, чем в валике (2,77±0,75) и теле (2,48±0,37) (p 0,05), хотя в височных долях отношение Cho/Cr было выше, чем в скорлупе (p=0,05).
Значимых межполушарных отличий отношений метаболитов Cho/NAA, Cho/Cr, NAA/Cr не выявлено (p>0,05).
Объединенные по всем отделам неизмененного серого и белого вещества двух полушарий головного мозга средние значения соотношений основных метаболитов представлены в табл. 2. 
Таблица 2. Соотношения пиков основных метаболитов в неизмененном сером и белом веществе головного мозга здоровых добровольцев
Оказалось, что между серым и белым веществом мозга наблюдаются статистически значимые отличия. Это в целом согласуется с данными других исследователей [15], подтверждающих факт высокой концентрации NAA-ацетиласпартата в белом веществе мозга.
P. Pouwels и J. Frahm [15] методом одновоксельной МРС, проведенной в поле 2,0 Тл, определяли содержание метаболитов мозговой ткани в вокселах, расположенных в белом веществе (лобная, затылочная и теменная области) и сером веществе (лобная, затылочная, теменная области, островок, таламус и мозжечок). В нашем исследовании содержание NAA в белом веществе оказалось значимо выше, чем в сером. Содержание Cr в белом веществе было стабильно (p>0,05). Содержание Сho в сером веществе было ниже содержания этого метаболита в белом веществе. Уровень Cr во всех отделах серого вещества оказался выше, чем в белом. Гендерных и межполушарных отличий не выявлено. В работе M. Stromillo и соавт. [18] методом 3D МРС получены значения отношения NAA/Cr=3,1±0,2 в подкорковом белом веществе и 2,4±0,1 в сером веществе коры в группе добровольцев. Š. Sivák и соавт. [19] для группы добровольцев (n=11) приводят значение NAA/Cr=1,80±0,13 в левой височной доле и 1,90±0,18 и 2,08±0,21 в правой и левой областях прецентральной извилины соответственно. В работе M. Donadieu и соавт. [16] для неизмененного белого вещества содержание NAA и Cho составило 10,0±0,68 и 4,30±0,60 соответственно. При этом отношение NAA/Cr составило 2,33.
Таким образом, полученные нами данные в целом согласуются с результатами работ, проведенных ранее другими исследователями. Это позволяет нам сделать вывод о высокой сопоставимости результатов, полученных методами 2D и 3D 1 Н-МРС, и рекомендовать второй из них как более информативный метод исследования метаболизма вещества головного мозга за счет его преимуществ в охвате анатомического пространства за клинически адекватное короткое время сканирования. Интересный факт различия в соотношениях основных метаболитов в проекции МТ требует дальнейшего изучения и сопоставления с его структурной и функциональной организацией.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (Грант РНФ 18−15−00337 «Неинвазивное изучение энергетического метаболизма опухолей головного мозга»).
Концепция и дизайн исследования — И.П., Л.Ф., А.Т.
Сбор и обработка материала — А.Т., А.Б., Н.З.
Написание текста — А.Т.
Редактирование — И.П., Н.З., Л.Ф.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Комментарий
Научная статья А.Н. Тюриной и соавт. посвящена применению метода 3D МР-спектроскопии в диагностике здоровых добровольцев без органической патологии головного мозга. В работе представлен обзор клинических методов МР-спектроскопии, начиная от ставшей стандартной одновоксельной МРС до объемной 3D МРС. Приведено подробное описание всех этапов проведения объемной МР спектроскопии, рассмотрены особенности клинического применения и проанализированы литературные данные по использованию 3D МРС в нейрохирургической клинике. Эти исследования позволили оценить диапазон значений основных метаболитов в отдельных анатомических образованиях неизмененного белого и серого вещества головного мозга.
Результатами данной работы являются показатели соотношений основных метаболитов, которые можно использовать в диагностике объемных образований головного мозга на предоперационном этапе, в дифференциальной диагностике опухолевых и неопухолевых поражений вещества мозга, а также в дифференциальной диагностике глиальных объемных образований.
Статья выполнена на высоком современном научно-методическом уровне и представляет научный интерес для читателей.
Диагностика и подготовка к исследованию
Лучевая диагностика
Рентгенография (спондилография)
Традиционная рентгенография по-прежнему остается в арсенале используемых в нейрохирургии и нейрорентгенологии методов. В последние годы произошел полный переход к цифровым технологиям, к использования плоско-детекторных систем, что снизило и без того низкую лучевую нагрузку при выполнении рентгенологических исследований, повысив при этом качество и четкость рентгенологического снимка.
Основными показаниями к использованию традиционной рентгенографии в нейрохирургической клинике являются:
Широко используется функциональная спондилография в практике спинальных нейрохирургов.
Компьютерная томография (КТ)
Метод основан на измерении и компьютерной обработке разности поглощения рентгеновского излучения различными по плотности тканями.
ПЭТ/КТ головного мозга с 11 С-метионином и 18 F – фторэтилтирозином
Для диагностики первичных и вторичных образований головного мозга, применяется РФП на основе метионина, меченного углеродом ( 11 С-Метионин) и на основе тирозина, меченного 18 Фтор. Метионин и тирозин участвуют в метаболических процессах в клетках человека. Данные РФП наиболее информативены в диагностике новообразований головного и спинного мозга. Объясняется это тем, что данные препараты проникает в клетки через клеточную мембрану, связываясь со специфическими транспортными белками. В итоге, чем активнее обмен веществ в тканях, тем больше накапливается 11 С-метионин и 18 F-фторэтилтирозин.
Показания для проведения ПЭТ/КТ головного мозга с 11 С-метионином и 18 F-фторэтилтирозином:
Подготовка к исследованию ПЭТ/КТ головного мозга с 11 С-метионином или 18 F-фторэтилтирозином
Подготовка к исследованию ПЭТ/КТ всего тела с 18 F-ФДГ (фтордезоксиглюкозой)
ПЭТ/КТ всего тела с 18 F-ФДГ (фтордезоксиглюкоза)
Показания к проведению:
Заболевания: рак молочной железы, меланомы, рак легких, рак простаты, рак почки, саркомы, опухоли желудочно-кишечного тракта, опухоли женской репродуктивной системы, опухоли поджелудочной железы, злокачественные новообразования печени, рак яичка, метастазы из невыясненного первичного очага, первичные костные опухоли, миелома, лимфома и лимфопролиферативные заболевания.
Противопоказания к исследованию:
Как записаться на Rg, КТ, МРТ
Записаться можно по будням с 9:00 до 15:00
Телефон сall-центра : +7 499 972-86-68
Предварительная электронная запись: Запись онлайн
Как записаться на ПЭТ-КТ
Телефон регистратуры ПЭТ-центра: +7 903 580-98-94
Местный номер регистратуры ПЭТ-центра: 36−00
Для записи на ПЭТ/КТ необходимо:
для оптимального описания ПЭТ-КТ при себе ( на момент самого исследования) необходимо иметь все ранее выполненные диагностические исследования (КТ, МРТ, ПЭТ-КТ) как до, так и после лечебных процедур, представленные на цифровых носителях.
МР-спектроскопия
Протонная магнитно-резонансная спектроскопия (ПМРС) – один из наиболее молодых и быстро развивающихся методов лучевого исследования головного мозга, позволяющих определять содержание основных метаболитов (холин, N-ацетиласпартат, креатин, глютамат/глутамин, лактат) в интересующих участках органа и их соотношение.
История и этимология
МРС впервые использовали при исследовании эритроцитов в 1973 году Мун и Ричардс, а в 1974 году при помощи МРС Хаулт исследовал бедренную мышцу мыши.
ppm — pars per million
Патология
Глиома
МРС помогает предсказать степень дифференцировки. Чем выше степень дифференцировки, тем ниже пик N-ацетиласпартата и креатина, но выше пики холина, лактата и липидов.
Неглиальные опухоли
Незначительные изменения пика NAA.
Лучевая терапия
Дифференциация изменений головного мозга на фоне лучевой терапии от опухоли всегда проблематична, но при рецидиве опухоли пик холина чаще повышен в то время, как после лучевой терапии пик NAA, холина и креатина будет низким.
Ишемия и инфаркт
Пик лактата будет повышаться, как только клетки головного мозга переходят на анаэробный метаболизм. Пик липидов и всех остальных пиков будет снижаться.
Инфекция
Пик NAA отсутствует при всех патологических процессах, разрушающих ткань головного мозга. При абсцессе пик лактата, аланина, ацетата повышен. Пик холина низкий или отсутствует при токсоплазмозе, а при лимфоме повышен, данный показатель используют для отличия одного патологического процесса от другого.
Заболевания белого вещества мозга (лейкодистрофии)
Печеночная лейкоэнцефалопатия
При печеночной лейкоэнцефалопатии снижение пика миоинозитола и в меньшей степени холина. Глутамин увеличивается.
Митохондриальные заболевания.
Синдром Лея: повышение пика холина, снижение NAA и реже повышение пика лактата.
МРТ спектроскопия
Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) –
диагностика поражений головного мозга по изменениям содержания в тканях мозга биологически активных веществ
Заболевания головного мозга сопровождаются изменениями на уровне биохимии тканей головного мозга, а именно изменением концентрации биологически активных веществ и медиаторов: N-ацетиласпартата, холина и других. МРТ спектроскопия – это метод исследования данных химических веществ с использованием явления магнитного резонанса. МРТ спектроскопия применяется в качестве инструмента для дифференциальной диагностики поражений головного мозга: опухолей, воспалительных и гипоксических процессов, нейродегенеративных заболеваний.
Принципиально новый уровень диагностики!
МР-томограф SIEMENS MAGNETOM SKYRA 3,0 Тесла
Эксклюзивно только в сети клиник Тонус в Нижегородской области
МРТ спектроскопия на инновационном томографе Siemens Magnetom Skyra 3,0 Тесла: от научных открытий до точного диагноза
МРТ диагностика новообразований в головном мозге:
Для диагностики новообразований головного мозга используются в том числе и методы МРТ нейровизуализации. Преимущества их заключаются в отсутствии лучевой нагрузки на организм, большое количество диагностической информации и относительно небольшое время сканирования. С помощью МРТ стало возможным не только обнаружить опухоль и оценить ее анатомические характеристики (размер, локализация), но и подробно изучить её на клеточном уровне, получить информацию о её состоянии, химическом обмене веществ.
Основные метаболиты, которые определяются при МРТ спектроскопии:
Изменение содержания этих веществ служит критерием дифференциальной диагностики при исследовании поражений головного мозга.
Функциональная ближне-инфракрасная спектроскопия
Использование fNIR в качестве функционального метода визуализации основывается на принципе нейрососудистой связи, также известном как реакция гемодинамики или зависимости от уровня кислорода (BOLD). Этот принцип также является ядром методов МРТ. Посредством нейро-сосудистой связи активность нейронов связана с изменениями локализованного мозгового кровотока. fNIR и fMRI чувствительны к аналогичным физиологическим изменениям и часто являются сравнительными методами. Исследования, связанные с fMRI и fNIR, показывают аналогичные результаты при решении когнитивных задач. fNIR имеет несколько преимуществ в отношении стоимости и переносимости по сравнению с fMRI, но не может использоваться для измерения активности коры головного мозга более чем на 4 см из-за ограничений в мощности излучателя света и имеет более ограниченное пространственное разрешение. fNIR включает в себя использование диффузной оптической томографии (DOT / NIRDOT) для функциональных целей. Мультиплексирование каналов fNIRS позволяет использовать 2D топографические функциональные карты активности мозга (например, с HitachiETG-4000 или Artinis Oxymon) при использовании нескольких расстояний между эмиттерами, которые могут применяться для построения 3D- томографических карт.
Существует четыре современных метода спектроскопии fNIR.
Непрерывная волна (CW) fNIR использует источники света, излучающие свет с постоянной частотой и амплитудой. Изменения интенсивности света могут быть связаны с изменениями относительных концентраций гемоглобина через модифицированный закон Бира-Ламберта (mBLL).
В системах с частотной областью (FD) источники NIR-лазера обеспечивают амплитудно-модулированную синусоиду на частотах около ста мегагерц (100 МГц). Изменения амплитуды и фазы обратного рассеяния обеспечивают прямое измерение коэффициентов поглощения и рассеяния ткани, что устраняет необходимость в информации о длине траектории фотона; по коэффициентам рассеяния и поглощения определяются изменения концентрации гемодинамических параметров. Из-за необходимости модулированных лазеров и фазовых измерений системы частотной области являются более технически сложными, чем непрерывные волновые системы. Однако эти системы способны обеспечить абсолютные концентрации окси-Hb и дезокси-Hb.
В системах пространственно-разрешенной спектроскопии (SRS) используются локализованные градиенты при ослаблении света для определения абсолютных соотношений окси-Hb и дезокси-Hb. Используя пространственное измерение, системы SRS не требуют знания длины траектории фотонов для проведения этого расчета, однако измеренные концентрации окси-Hb и дезокси-Hb относятся к неизвестному коэффициенту рассеяния в средах. Этот метод наиболее часто используется в церебральных оксиметрических системах, которые имеют индекс кислотной оксигенации (TOI) или индекс насыщения тканей (TSI).