Способ макроэнцефалометрии мозжечка головного мозга человека
HUMAN CEREBELLUM CEREBRUM MACROENCEPHALOMETRY METHOD

Область техники.
Настоящее изобретение относится к области медицины и может быть использовано в неврологии, психиатрии, нейрофизиологии, нейропсихологии и рядом других современных нейронаук, изучающих головной мозг человека.
Уровень техники.
Изучение и понимание устройства, а так же принципов работы головного мозга человека и его составных частей является одним из приоритетных направлений развития современной медицины, информационных и нейрокоммуникационных технологий.
Одной из важнейших составных частей головного мозга является мозжечок (cerebellum). У мозжечка различают два полушария (hemispheria cerebella) и непарную срединную часть червь мозжечка (vermis cerebelli). Верхняя и нижняя поверхности полушарий и червя изрезаны множеством идущих экведистантно одна относительно другой щелей мозжечка, между которыми находятся длинные и узкие листки мозжечка. Группы извилин, отделенные более глубокими бороздами, образуют дольки мозжечка. Борозды мозжечка идут, не перекрываясь, через полушария и червь (Анатомия человека. В двух томах. Т.2 / М.Р. Сапин, В.Я. Бочаров, Д.Б. Никитюк и др. / Под ред. М.Р. Сапина. - Изд. 5-е перераб. и доп. - М.: Медицина. - 2001. - 640 с.: ил.). Мозжечок является самой большой сенсомоторной структурой в мозге, имеющей обширные связи с мозговым стволом и спинным мозгом (Anand BK, Malhotra CL, Singh В, Dua S. Cerebellar projections to limbic system. J Neurophysiol. 1959; 22:451-457; Snider RS, Maiti A. Cerebellar contributions to the Papez circuit. J Neurosci Res. 1976; 2:133-146.). Три основные анатомические особенности мозжечка делают его уникальной структурой ЦНС. Во-первых, мозжечковая кора представляет собой множество функциональных единиц, называемых микрозонами (Cerminara NLC, Aoki Н, Loft М, Sugihara I, Apps R. Structural basis of cerebellar microcircuits in the rat. J Neurosci. 2013; 33(42):16427-16442.). Микрозона определяется, как группа в количестве 1000 клеток Пуркинье (ПК), имеющих одинаковое соматотопическое восприимчивое поле. Во-вторых, мозжечок организован в нескольких модулях. Модуль представляет собой конгломерат нескольких не смежных парасагиттальных полос ПК, проектируемых к конкретным областям мозжечковых ядер (CN) и стробирующих сегрегированных выступов из нижней оливы (  Е, Casali S. Seeking a unified framework for cerebellar function and dysfunction: from circuit operations to cognition. Front Neural Circuits. 2013; 6:116.). В-третьих, существуют сегрегированные петли между мозжечком и префронтальной корой, теменной корой, паралимбической корой и высшей временной бороздкой. Анатомические цепи, связывающие мозжечок с корой головного мозга, расположены в двухступенчатый контур прямой подачи и двухступенчатый контур обратной связи, содержащий несколько параллельных и частично перекрывающихся подсхем (Schmahmann JD. Cerebellar cognitive affective syndrome and the neuropsychiatry of the cerebellum. In: Manto M, Gruol DL, Schmahmann JD, Koibuchi N, Rossi F, editors. Handbook of cerebellum and cerebellar disorders. Dordrecht: Springer; 2013. pp. 1717-1751).
Роль мозжечка в функционировании центральной нервной системы человека весьма значительна. Однако до настоящего времени во многом не изучены особенности работы мозжечка, как в целом, так и его составных частей (The mystery of the cerebellum: clues from experimental and clinical observations Ch. Lawrenson, M. Bares, A. Kamondi,  B. Lumb, R. Apps, P. Filip, M. Manto. Cerebellum Ataxias. 2018; 5: 8. Published online 2018 Mar 29.).
При этом особый интерес представляет исследование влияния на функционирование мозжечка механических напряженно-деформированных состояний его полушарий и червя, возникающих при возбуждениях в их оболочках и зависящих от форм, размеров, площадей поверхностей, объемов полушарий и червя и их соотношений,
Известно, например, что отношение площади поверхности мозжечка к его массе, по меньшей мере, на порядок больше такого отношения для полушарий большого мозга человека. В тоже время кора полушарий мозжечка содержит большее разнообразие видов нейронов (пирамидные, грушевидные, клетки Пуркинье и др.), чем кора полушарий большого мозга. В дополнение к этому наличие множества идущих экведистантно одна относительно другой щелей мозжечка, между которыми находятся длинные и узкие листки мозжечка, обеспечивает квазисинхронное взаимодействие свободных поверхностей листков между собою при изменении их напряженно деформированных состояний, возникающих при возбуждениях, в том числе связанных с гравитационной ориентацией человека.
Указанное может свидетельствовать о значительно большей чувствительности мозжечка в целом, чем полушарий большого мозга, при изменениях их напряженно-деформированного состояния, вызванного возбуждениями в их коре, и тем самым о значительно большей роли мозжечка в функционировании центральной нервной системы человека, чем принято в настоящее время.
Поэтому до настоящего времени актуальна макроэнцефалометрия поверхности полушарий мозжечка и его червя, в том числе включающая этапы измерения их объемов и площадей свободной внешней поверхности с использованием компьютерно-диагностических аппаратных комплексов магнитно-резонансной и спиральной томографии, компьютерной магнитоэнцефалографии, позитронно-эмиссионной томографии и других методов нейровизуализации.
При этом важным является выявление общих закономерностей морфометрических измерений анатомических структур полушарий мозжечка и его червя, как конкретного человека, так и большой группы людей. Что позволило бы в дальнейшем более полно определить влияние этих общих результатов измерений на возникновение и протекание патологии работы мозжечка, а так же изменения адаптационных процессов человека в окружающем его пространстве, и оптимизировать лечебные мероприятия. Полученные результаты также могут быть использованы для разработки и создания моделей большого мозга, а также искусственного интеллекта.
При анализе исследований российских авторов в этой области найдены работы, посвященные вопросам выделения МР-томографических дифференциально-диагностических критериев поздних приобретенных мозжечковых дегенераций (Клинико-МРТ диагностика поздних приобретенных церебеллярных дегенераций. Хузина Г.Р., автореф. к.м.н. по специальности «Нервные болезни», Казань 2002).
По данным электронного каталога Российской государственной библиотеки существует порядка 60 диссертационных исследований, касающихся различных аспектов изучения мозжечка головного мозга человека. За последние 10 лет основные диссертационные исследования были направлены на выявление нейрогистохимических и морфофункциональных особенностей тканей мозжечка (Типы NMDA рецепторов в нейронах мозжечка и роль Са2+-активируемых K+каналов в регуляции нейропротекторных механизмов: автореферат дис. кандидата биологических наук: 03.03.01 / Степаненко Ю.Д., Санкт-Петербург, 2017; Роль кальций-активируемых калиевых каналов (SK каналов) в регуляции электрофизиологической активности клеток Пуркинье коры мозжечка мышей трансгенной линии SCA2-58Q: автореферат дис… кандидата физико-математических наук: 03.01.02 / Егорова П.А., Санкт-Петербург, 2016; Влияние длительной гиподинамии на динамику свободно-радикального окисления липидов, белков и содержание гликозаминогликанов в полушариях мозжечка крыс: автореферат дис… кандидата биологических наук: 03.03.01 / Черепанов Н.С., Челябинск, 2013; Характеристика взаимодействия Na/K-АТРазы и NMDA-рецептора в гранулярных клетках мозжечка: автореферат дис… кандидата биологических наук: 03.01.04 / Аккуратов Е.Е., Москва 2012;
Адаптационно-компенсаторные реакции мозжечка в условиях длительного воздействия гипоксии и гиподинамии: экспериментальное исследование: автореферат дис… кандидата биологических наук: 03.03.01 / Данилов Е.В., Челябинск, 2010; Возрастные особенности синаптической активации клеток Пуркинье мозжечка системой лазящих и мшистых волокон: автореферат дис… кандидата биологических наук: 03.03.01 / Карелина Т.В., Санкт-Петербург, 2010; Участие медиального мозжечка в механизмах памяти и обучения при формировании различных видов оборонительного поведения: автореферат дис… доктора биологических наук: 03.03.01 / Сторожева З.И., Москва, 2010; Структурно-функциональные особенности мозжечка крыс при действии алкоголя и физической нагрузки: автореферат дис… кандидата биологических наук: 03.00.13 / Данилов А.В., Челябинск, 2009; Структурно-функциональные особенности мозжечка при стрессе: автореферат дис… кандидата биологических наук: 16.00.02 / Уфа, 2005; Морфометрическое и функциональное изучение созревания клеток Пуркинье мозжечка в онтогенезе зрело- и незрелорождающихся животных: автореферат дис… кандидата биологических наук: 03.00.13, 03.00.25 / Санкт-Петербург, 2004).
Известен, например, способ диагностики гемангиобластом мозжечка (патент RU №2428101 на основании данных прижизненной энцефалометрии.
Известно устройство для создания физической модели внутримозгового пространства (SU №1055504, А61В 19/00, 23.11.83. Бюл. №43), содержащее пластину с нанесенными на ее плоскостях координатными осями и устанавливаемые на плоскостях метки. Причем с целью повышения точности моделирования путем приближения модели к реальной картине внутримозгового пространства, оно снабжено двумя дополнительными пластинами.
Также известен способ наведения стереотаксического инструмента на целевую точку (SU №745505, А61В 6/00, 07.07.80. Бюл. №25), который предполагает введение в полости головного мозга рентгено контрастного вещества и использование контрастной рентгенографии.
Для изучения морфологии и измерения количественных характеристик большого мозга и его составных частей широко используются методы краниоцеребральной топографии. Например, известны методы краниоцеребральной топографии Кренлейна, Кохера и Б.Г. Егорова (Егоров Б.Г. Анатомо-физиологическое обоснование оперативных доступов к опухолям головного мозга через теменную долю, в кн.: Проблемы современной нейрохирургии, под ред. Б.Г. Егорова, т. 3, с. 5, М., 1959) при которых используются проекции на поверхности костей черепа долей мозга, извилин, борозд, пограничных пунктов между долями и извилинами и т.д..
Также описана методика определения линейных размеров анатомических структур головного мозга. (Анатомия головного мозга в норме и при внутричерепной гипертензии по данным магнитно-резонансной томографии. Автореферат диссертации канд. мед. наук, Зудин В.В., Новосибирск 2006).
Известен метод определения стереотаксических координат мишеней головного мозга человека по данным рентгеновской компьютерной томографии (Автореферат диссертации канд. техн. наук, 2007 Козаченко А.В.)
Выше перечисленные методы, способы и устройства используются для оптимизации диагностических и лечебных мероприятий, оказываемых при различных заболеваниях и патологических состояниях головного мозга и мозжечка. При этом они используют узкоспециализированные патология ориентированные алгоритмы измерений анатомических структур.
Данные способы и устройства используются в основном для целей нейрохирургии и не позволяют решать другие задачи. Это обусловлено тем, что при этих способах невозможно обеспечить получение идентичных результатов топографических измерений полушарий мозжечка и его червя для широкого круга пациентов, так как, во-первых, размеры и формы костей черепа индивидуальны для каждого человека, а, во-вторых, мозг имеет достаточную подвижность относительно костей черепа.
Таким образом, в существующих способах отсутствует единая измерительная база, позволяющая провести кластерную оценку морфологических и функциональных особенностей полушарий мозжечка и его червя при его исследовании. При этом оценка указанных особенностей полушарий мозжечка и его червя, как правило, проводится дихотомически и путем аналогового сравнения полученных результатов.
Настоящее изобретение направлено на создание способа макроэнцефалометрии мозжечка, позволяющего на основе единой измерительной базы решить следующие задачи:
1. Получить идентичные замеры анатомических особенностей полушарий мозжечка и его червя у пациентов различного половозрастного состава и различных рас, не имеющих и имеющих заболевания мозга и/или другие заболевания.
2. Выявить закономерности устройства и работы мозжечка при нормальных условиях и в условиях патологии.
3. Проводить исследования напряженно-деформированного состояния полушарий мозжечка и его червя, их долей и проводить оценку процессов, происходящих в них с точки зрения физико-химической механики.
4. На основе полученных результатов исследований создать математическую и физическую модели полушарий мозжечка и его долей.
Технический результат настоящего изобретения состоит в получении способа, позволяющего на основе единой измерительной базы проводить измерения морфологических характеристик полушарий мозжечка и его червя, в том числе в процессе его работы, а также проводить исследования их напряженно-деформированного состояния с точки зрения физико-химической механики с оценкой процессов, происходящих в статическом и динамическом состояниях, тем самым обеспечивая расширение технических и диагностических возможностей макроэнцефалометрии.
Сущность изобретения.
Указанный технический результат достигается посредством совокупности признаков, приведенных в соответствующих пунктах формулы изобретения.
Способ макроэнцефалометрии мозжечка головного мозга человека включает, по меньшей мере, этап измерения площади свободной поверхности полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд с использованием компьютерно-диагностического аппаратного комплекса.
Согласно изобретению дополнительно определяют площадь поверхности минимальной мнимой сферы, описанной вокруг полушарий мозжечка и его червя, и отношение площади свободной поверхности полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд к площади поверхности этой сферы.
В соответствии с одним предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют, по меньшей мере, площадь поверхности одной мнимой сферы, эквидистантной минимальной мнимой сфере.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют отношение площади свободной поверхности полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд к площади поверхности мнимой сферы, эквидистантной минимальной мнимой сфере.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют объем полушарий мозжечка и его червя и его отношение к объему минимальной мнимой сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют плотность вещества в объеме полушарий мозжечка и его червя.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют отношения площадей свободных поверхностей для каждого полушария и для червя к площади поверхности минимальной мнимой сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют объем полушарий и его червя и его отношение к площади поверхности минимальной мнимой сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют объем для каждого полушария и для червя и их отношения к площади поверхности минимальной мнимой сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа дополнительно определяют площади проекций свободных поверхностей для каждого полушария мозжечка и для его червя с учетом их извилин и борозд на минимальную мнимую сферу к площади поверхности этой сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением указанного способа используют компьютерно-диагностический аппаратный комплекс магнитно-резонансной томографии и/или компьютерно-диагностический аппаратный комплекс спиральной томографии
Краткое описание чертежей.
Для лучшего понимания, но только в качестве примера, настоящее изобретение будет описано с отсылками к приложенным чертежам, на которых изображены особенности осуществления измерения полушарий мозжечка и его червя.
При этом на чертежах в частности изображены:
на фиг. 1 изображен вид на дорсальную поверхность мозжечка головного мозга человека;
на фиг. 2 изображен вид на фронтальную поверхность мозжечка головного мозга человека.
Детальное описание осуществления способа и его использования.
Способ макроэнцефалометрии мозжечка головного мозга человека 10 включает, по меньшей мере, этап измерения площади свободной поверхности 12 полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд с использованием компьютерно-диагностического аппаратного комплекса.
При этом предпочтительно могут быть использованы компьютерно-диагностический аппаратный комплекс магнитно-резонансной томографии и/или компьютерно-диагностический аппаратный комплекс спиральной томографии.
В соответствии с настоящим изобретением дополнительно определяют площадь поверхности минимальной мнимой сферы 14, описанной вокруг полушарий мозжечка и его червя 10, и отношение площади свободной поверхности 12 полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд к площади поверхности этой сферы 14.
Например, на фиг. 1 и 2 изображена минимальная мнимая сфера 14, описанная вокруг полушарий мозжечка и его червя 10. При этом сфера 14 представляет собой минимальную сферу, которую возможно описать вокруг полушарий мозжечка и его червя 10 и использовать ее в качестве единой измерительной базы, так как она, с одной стороны, имеет материальные размеры в виде ее диаметра, площади поверхности и центра, которые строго привязаны к полушариям мозжечка и его червя головного мозга конкретного человека, и которые в отличие от костей его черепа следуют за изменением формы и объема полушарий мозжечка и его червя, возникающих при его функционировании и работе.
С другой стороны, сфера 14 является единой идентичной измерительной базой для широкого круга исследуемых пациентов, позволяющей учитывать изменения формы и размеров полушарий мозжечка и его червя, с определением формоизменяющих касательных механических напряжений, оказывающих влияние на протекание процессов в полушариях с точки зрения физико-химической механики, и, например, использовать полученные результаты измерений для составления физических и математических моделей работы мозжечка.
При этом в соответствии с предложенным способом с использованием компьютерно-диагностического аппаратного комплекса определяют отношение площади свободной поверхности 12 полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд к площади поверхности минимальной мнимой сферы 14.
Это отношение наиболее полно характеризует морфологические особенности полушарий мозжечка и его червя с учетом изменения их формы и размеров, возникающих в процессе функционирования головного мозга, когда в оболочках полушарий мозжечка и его червя возникают значительные суммарные механические усилия, которые могут оказывать существенное влияние на физико-химические процессы, протекающие в них.
Причем площадь поверхности полушарий с учетом их извилин и борозд, также зависящая от формы и размера полушарий мозжечка и его червя, в свою очередь определяемых размером минимальной мнимой сферы, описанной вокруг них, во многом определяет колоссальное число вариантов получения суммарных, например, растягивающих усилий в оболочках полушарий. В свою очередь растягивающие усилия, возникающие в оболочках полушарий, с учетом возможных возбуждений в каком-либо месте оболочки полушарий, сопровождается поверхностным взаимодействием листков мозжечка и их отдельных частей. Это может вызывать практически бесконечное множество вариантов зон возбуждения в полушариях, которые соответствуют мыслительной деятельности человека.
Рассматриваемый способ может иметь ряд предпочтительных исполнений, которые позволяют получить дополнительную информацию о морфологических характеристиках и функционировании полушарий мозжечка и его червя.
В соответствии с одним предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют, по меньшей мере, площадь поверхности одной мнимой сферы, например, 16, эквидистантной минимальной мнимой сфере 14.
Это обусловлено тем, что диаметр минимальной мнимой сферы может быть индивидуален для одного человека. При этом для осуществления измерений полушарий мозжечка и его червя для широкого круга пациентов возникает необходимость приведения полученных результатов к одному диаметру мнимой сферы. Определение размеров мнимой сферы, эквидистантной минимальной мнимой сфере, позволяет существенно расширить возможности способа.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют отношение площади свободной поверхности 12 полушарий мозжечка и его червя с учетом их извилин и борозд к площади поверхности мнимой сферы 16, эквидистантной минимальной мнимой сфере 14.
При этом получаемые соотношения, например, площади свободной поверхности 12 полушарий мозжечка и его червя с учетом его извилин и борозд к площади поверхности сферы, эквидистантной минимальной мнимой сфере 14, описанной вокруг них, позволяют исследовать на базе единой измерительной базы динамику процессов, происходящих в полушариях мозжечка и его червя у широкого круга пациентов различного половозрастного состава и различных рас, с различными анатомическими особенностями, не имеющих и имеющих заболевания мозга и другие заболевания.
Следует заметить, что в качестве дополнительной измерительной базы также могут быть использованы сферы или другие поверхности тел вращения, описанные вокруг полушарий большого мозга. При этом их размеры могут быть больше размеров, например, минимальной мнимой сферы и их геометрические центры могут не совпадать с центром минимальной описанной сферы. Однако, для привязки к конкретным полушариям мозжечка и его червя наиболее рационально использование координат центра и поверхности минимальной описанной вокруг них сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют объем полушарий мозжечка и его червя 10 и его отношение к объему минимальной мнимой сферы 14.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют плотность вещества в объеме полушарий мозжечка и его червя. Это позволит с одной стороны дифференцировать распределение внутренних механических напряжений в объеме полушарий мозжечка и его червя, а с другой стороны выявить зоны возможных образований с определением их координат относительно минимальной мнимой сферы.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют отношения площадей свободных поверхностей для каждого полушария и для червя к площади поверхности минимальной мнимой сферы 14.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют объем полушарий и его червя и его отношение к площади поверхности минимальной мнимой сферы 14.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют объем для каждого полушария и для его червя и их отношения к площади поверхности минимальной мнимой сферы 14.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением настоящего способа дополнительно определяют площади проекций свободных поверхностей 12 для каждого полушария мозжечка и для его червя с учетом их извилин и борозд на минимальную мнимую сферу 14 к площади поверхности этой сферы.
Пример использования настоящего способа.
Специальных исследований в соответствии с настоящим способом для доказательства возможности его технического осуществления не проводилось. Это обусловлено тем, что технические возможности указанных выше компьютерно-диагностических аппаратных комплексов с применяемом на них программным обеспечением позволяют, по меньшей мере, в статическом состоянии производить весь комплекс измерений, предусмотренных настоящим способом.
Как было указано выше при использовании настоящего способа возможно проведение измерений в статическом состоянии, когда пациент, например, находится неподвижно в специальном кресле в положении лежа или сидя.
При этом современный уровень развития техники и технологий позволяет производить измерения так же в динамике. Поэтому в описании настоящего способа не приведен весь перечень действий, совершаемых при диагностических исследованиях, так как они общеизвестны и не ограничивают существа предложенного способа.
Хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью детализации, различные изменения и модификации его могут быть выполнены без отхода от существа и объема изобретения, изложенного в приведенной ниже формуле изобретения.