Способ оценки скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации
METHOD FOR ASSESSING THE RATE OF CEREBRAL BLOOD FLOW IN NEURONAL ACTIVATION ZONES

Изобретение относится к области медицины, в частности к неврологии и может быть использовано для оценки параметров тканевого кровотока в зонах нейрональной активации.
На сегодняшний день цереброваскулярные заболевания являются одной из важнейших медико-социальных проблем, что обусловлено их высоким процентом в структуре заболеваемости, инвалидизации и смертности (Кардионеврология. Современное состояние и перспективы развития. / З.А. Суслина А.В. Фонякин, Л.А. Гераскина // Сборник статей и тезисов II Национального конгресса «Кардионеврология» / под ред. З.А. Суслиной и др., - М., 2012. - С. 7-13). Возможность нормального функционирования головного мозга без полноценного снабжения его кислородом и другими питательными веществами, невозможна. При нарушении работы сосудов, в том числе и на уровне микрокапилляров, ухудшается кровоснабжение и приток необходимых питательных веществ, начинает развиваться ангиопатия сосудов. Снижение мозговой перфузии является одним из основных факторов в развитии ишемии головного мозга, когнитивных расстройств, формирования инсульта. Поэтому особый интерес вызывает изучение церебральной перфузии с оценкой цереброваскулярного резерва (реактивности), нейроваскулярного взаимодействия, фракции экстракции кислорода у пациентов с микроангиопатией (small vessel disease), а также изучение перфузионных показателей в базовом (покой) и активном (выполнение той или иной парадигмы) состоянии головного мозга.
Среди методов оценки кровоснабжения головного мозга одним из наиболее часто применяемых в клинической практике являются перфузионные методы с определением показателей тканевого кровотока. Церебральная перфузия позволяет оценить активность головного мозга и играет ведущую роль в качестве показателя функционирования головного мозга в норме и при патологии. Методы изучения тканевого кровотока чаще всего основываются на оценке изменения концентрации красителя, радиофармпрепарата и контрастного вещества, введенного в сосудистое русло (Сергеева А.Н. Церебральная гемодинамика при стенозирующем поражении внутренних сонных артерий (клинико-кт-перфузионное исследование). Автореферат дисс. на соиск. учен. степ. канд. мед. наук, Москва, 2013, 21 с.).
Альтернативой этим методам является бесконтрастная магнитно-резонансная перфузиия - ASL (метод меченых артериальных спинов), не требующая введения контрастного препарата, так как для создания болюса «меченной» артериальной крови применяют эндогенный маркер - маркированные спины, втекающие с артериальной кровью в ткани мозга. В итоге сканирование головного мозга дает серию повторов с усредненным по интенсивности сигналом в каждом вокселе изображения с получением «контрольных» - базовых (без предварительного инвертирования или насыщения спинов молекул воды артериальной крови) и «маркированных» изображений, контрастность которых будет сформирована в присутствии «меченных» спинов. Вычитая контрольное изображение из маркированного, получают срезы с тканевой контрастностью, соответствующей распределению маркированных спинов в ткани мозга, то есть перфузионные изображения.
Известен способ оценки скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации, включающий проведение ряда экспериментов по валидации и стандартизации значений скорости церебрального кровотока (CBF) по сравнению с позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ). У здоровых добровольцев показана высокая корреляция значений CBF, измеренных с помощью ПЭТ и ASL. Метод ASL позволяет оценить значения CBF в любой области коры головного мозга. В результате данного исследования получены абсолютные значения скорости мозгового кровотока в покое, варьирующие в зависимости от выбранной зоны измерения в пределах 56-71 мл/100 г/мин. (Пронин И.Н., Фадеева Л.М., Подопригора А.Е. и др. Спиновое маркирование артериальной крови (ASL) - метод визуализации и оценки мозгового кровотока. Лучевая диагностика и терапия. 2012; 3: 64-78). Однако оценка CBF ограничена в белом веществе головного мозга из-за низкой скорости кровотока в нем, приводящей к редукции и искажению ASL сигнала (van Gelderen Р, de Zwart JA and Duyn JH. Pittfalls of MRI measurement of white matter perfusion based on arterial spin labeling. Magn. Reson. Med., 2008; 59: 788-795). Данный источник информации рассмотрен в качестве ближайшего аналога.
Технический результат заключается в повышении точности исследования скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации.
Технический результат достигается тем, что оценку скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации проводят путем исследования бесконтрастной магнитно-резонансной перфузиией методом меченых артериальных спинов (ASL), при этом ASL исследование осуществляют с активной когнитивной блоковой парадигмой с расчетом скорости церебрального кровотока в зонах сети управляющего контроля, при этом получают 101 сканирование головного мозга, строят функциональные и перфузионные карты с последующим их совмещением, затем выбирают зоны активации, в которых рассчитывают показатели скорости церебрального кровотока и при снижении показателей относительно нормы оценивают тканевой кровоток как нарушенный.
Способ осуществляется следующим образом.
Для оценки скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации был применен импульсный вариант мечения артериальных спинов - pulsed ASL, при котором радиочастотный импульс в момент времени инверсии (TI) изменяет намагниченность в выбранном слое мозгового вещества, через который проходят питающие артерии, в результате получают изображения, на которых МР-сигнал пропорционален скорости церебрального кровотока. Для исключения сигналов от венозных структур при получении контрольного изображения подавляют сигналы от протонов в области мозга, расположенной выше зоны регистрации, что регулируется временем инверсии (TI), обеспечивая селекцию визуализации тканей.
Испытуемый спокойно лежит в томографе с открытыми глазами при этом ему проводят исследование в МРТ - режиме меченных артериальных спинов пульсовой модификации (pulsed ASL, pASL) с блоковым дизайном (активной парадигмой) - функциональная ASL, состоящей из чередующихся пяти блоков покоя и пяти блоков активного задания, длительностью по 10 сканирований. Суммарно получают 101 сканирование головного мозга для каждого пациента, по которым проводят расчет карт перфузии и функциональной нейрональной активации. Расчет скорости церебрального кровотока проводят в зонах выявленной нейрональной активации. Параметры сканирования в аксиальной проекции в режиме ASL PICORE Q2T следующие: время повторения (TR) 3000 ms, время эхо (ТЕ) 11 ms, время инверсии (Inversion Time) - IT1 700 ms, IT2 1800 ms, Saturation stop time 1600 ms (сатурации), Flip angle 90 deg (угла поворота), slices 14 (срезов), Dist. Factor 25 (дистанционного фактора), FoV 192 mm (поля обзора), Slice thickness 6,0 mm (толщины среза), Voxel size 3×3×6 mm (размера воксела), SNR 1.00 (отношения сигнал/шум), time asqusition (время сбора данных) 5.14 min, 1 среза референсного - М0, 50/50 «контрольных»/ «меченых» пар pASL изображений, post labeling delay (задержки после маркирования спинов) - 1.8, десять блоков для активной парадигмы. Перед исследованием проводят тренинг выполнения задания. Для обработки перфузионно-функциональных данных, полученных методом меченых артериальных спинов, применяют алгоритм с использованием программ, включающих пакеты статистической обработки, надстроек и приложений на базе MATLAB13a: SPM5, SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm), ASL Data Processing Toolbox (https://cfh.upenn.edvi/~zewang/ASLtbx), ITKSNAP (http://www.itksnap.org). Для локализации зон интереса по полям Бродмана, просмотра и представления полученных данных используют xjView 9,0 (Human Neuroimaging Lab, Baylor College of Medicine) на базе SPM (Statistical Parametric Mapping). Анализ функциональных ASL данных в SPM включает последовательные этапы: Realing (выравнивание), Normalizing (пространственная нормализация данных относительно стандартного пространства координат MNI - Montreal Neurological Institute), Corregistration (коррегистрация), Segmentation (сегментация) и Smoothing (сглаживание) с использованием batch-файла. Карты перфузионных данных строят в программе ASL Data Processing Toolbox с возможностью дальнейшего подсчета цифровых показателей CBF в исследуемых зонах головного мозга. Также всем испытуемым проводят МРТ сканирование головного мозга в режиме Т1 градиентное эхо с толщиной среза 1 мм с целью получения анатомических данных с возможностью последующей реконструкции изображений в любых плоскостях, ко-регистрации с перфузионными и функциональными данными, полученными в режиме импульсного спинового маркирования артериальной крови pASL - PICOREQ2T для последующего группового анализа. Статистические параметрические карты формируют на основании повоксельного сравнения при помощи общей линейной модели [Friston K.J., Holmes А.Р., Worsley K.J. et al. Statistical parametric maps in functional imaging: a general linear approach // Human brain mapping. 1994. V. 2. №. 4. P. 189].
Дизайн исследования.
Исследовано 12 здоровых добровольцев, из них 10 женщин, медиана возраста 58 лет, 1й и 3й квартили [55,5; 59,5] без клинической симптоматики и очаговых изменений в веществе головного мозга по данным МРТ. Все исследуемые были правши. Испытуемые подписали информированное согласие на проведение обследования. Протокол исследования был одобрен локальным Этическим комитетом ФГБНУ НЦН. Нейровизуализационное обследование проводилось на магнитно-резонансном томографе Siemens MAGNETOM Verio 3 Тл и включало в себя исследование головного мозга в режимах Т2-спиновое эхо в аксиальной проекции для скрининг-оценки вещества мозга с параметрами: (время повторения (TR - time repetition) 4000 мсек, время эхо (ТЕ - time echo) 118 мсек, толщина среза 5 мм, межсрезовый интервал 1,5 мм; продолжительность 2 мин 2 сек); MPR (3D Т1) в сагиттальной проекции для получения изотропных анатомических данных с целью последующего наложения на них перфузионно-функциональных данных и возможностью реконструкции изображений в любых проекциях с параметрами: (TR 1900 мс, ТЕ 2,5 мс; толщина среза 1.0 мм; межсрезовый интервал 1 мм; продолжительность 4 мин 16 сек), в режиме функциональной ASL - меченых артериальных спинов в аксиальной плоскости с получением 101 повтора сканирования с чередованием 50 контроль/50 меченых артериальных спинов, где первое сканирование из потока ASL - референсное (М0), TR 3000 мс, ТЕ 11 мс, толщина среза 6 мм, межсрезовый интервал 1,5 мм, с одномоментным выполнением активной блоковой парадигмы, состоящей из первого референсного сканирования и чередующихся 5 активных и 5 пассивных блоков по 10 сканирований каждый (суммарно 101 сканирование головного мозга для каждого пациента, по которым проводят перфузинно-функциональный расчет), продолжительность сканирования - 6 мин 20 сек. В заявленном дизайне исследования было выбрано когнитивное активное задание на базе нейропсихологического теста Струпа - когда на экран пациента проецируются изображения с названием цвета. Цвет шрифта совпадал, либо не совпадал со значением слова. Стимулы подавались со скоростью 1,5 сек/изображение, чередование изображений носило случайный характер. Перед пациентом ставилась задача реагировать про себя словом «да», если цвет шрифта совпадал с его значением.
Во время статистического анализа функциональных данных ASL для каждого обследуемого были получены данные о зонах активации в виде цветных карт, наложенных на анатомические данные, и в цифровом формате с указанием уровня статистической значимости зоны активации, ее объема и координат в стереотаксическом пространстве MNI. Данный анализ проводился для каждого испытуемого отдельно (с порогом статистической значимости р≤0,05, Т>4.5). В дальнейшем для локализации зон интереса по полям Бродмана, просмотра и представления полученных данных использовался xjView 9.0 (Human Neuroimaging Lab, Baylor College of Medicine) на базе SPM8. Данные зон активации функциональной ASL использовались в качестве маски для наложения на перфузионные карты.
Таким образом, при исследовании методом меченных артериальных спинов пульсовой модификации, одномоментно происходит считывание перфузионных и функциональных данных головного мозга с последующей обработкой полученных результатов в выбранных зонах интереса, что обеспечивает повышение точности исследования скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации.
Для каждого обследуемого, полученные в результате статистической обработки перфузионные карты в режиме меченых артериальных спинов, совместили с цветными картами зон нейрональной активации, полученными в результате обработки функциональных данных, полученных в режиме меченых артериальных спинов с активными сканами блоковой парадигмы и наложили на объемную Т1 анатомическую реконструкцию головного мозга, с указанием координат зон в стереотаксическом пространстве MNI и достоверности в цифровом формате, причем значимыми для оценки считались зоны с порогом достоверности р<0,001. При этом групповой анализ проводился с применением одновыборочного критерия Стьюдента (one-sample t-test) с порогом статистической значимости р≤0,001 с определением показателей тканевой перфузии в головном мозге в зонах нейрональной активности и в тех же зонах без активации (в состоянии покоя) в группе нормы.
В результате исследования в обследованной группе при построении перфузионно-функциональных карт были получены цифровые показатели тканевого кровотока. В результате обработки функционального компонента pASL при выполнении активной парадигмы, были получены зоны нейрональной активации головного мозга, координаты пиков зон данных pASL с достоверностью р<0,001, которые представлены в таблице 1.
В результаты оценки нейрональной активации при выполнении теста Струпа по данным pASL были выявлены зоны активации головного мозга. Они включали структуры сетей управляющего контроля (англ.: executive-control network) и выявления значимости (англ.: salience network): дорсолатеральную префронтальную кору (ДЛПФК), премоторную кору (ПМК), дополнительную моторную кору (ДМК), пре-ДМК, нижние теменные дольки, переднюю цингулярную кору (ПЦК). Выявленные зоны активации контролируют переключение внимания к значимым стимулам и принятие решений в соответствии с целями и ожидаемыми результатами посредством взаимодействия компонентов лобной и нижней теменной коры (Justin L. Vincent, 2008; Steven L. Bressler and Vinod Menon, 2010; M.W. Cole, Grega Repovs, and Alan Anticevic, 2014).
Зоны нейрональной активации здоровых добровольцев при выполнении когнитивного теста, полученные методом меченых артериальных спинов с блоковой парадигмой, наложенные на анатомические изображения головного мозга представлены на фиг. 1 А, Б, (р<0,001). Зоны функциональной активации в группе нормы, наложенные на анатомические изображения головного мозга, при выполнении когнитивного теста (А) и на основе перфузионных данных ASL (Б).
В результате исследования при выполнении активной парадигмы с когнитивным заданием в обследованной группе выявляются статистически значимые зоны нейрональной активации, по координатам в пространстве MNI которых был проведен подсчет значений показателей тканевого кровотока (скорости церебрального кровотока, CBF) как в активном состоянии, так и в состоянии покоя (без активации).
Также данные ASL оценивались с использованием ASLtbx (1Ze Wang, 2012) на базе SPM8 для получения перфузионных карт CBF, при этом полученные 101 измерений, чередующихся периодов покоя и активации, были разделены на соответствующие группы с генерацией карт CBF в период покоя (CBFrest) и в период активации (CBFactive). В программе ITK-SNAP ранее полученные маски с цветными зонами активации накладывались на перфузионные карты для точного подсчета регионарного CBF в интересующих зонах. Таким образом, для анализа было получено 2 пары CBF карт для каждого испытуемого: CBFrest и CBFactive.
В результате работы в обследованной группе нормы при построении перфузионно-функциональных карт зон головного мозга, полученных методом меченых артериальных спинов пульсовой модификации с блоковой активной (когнитивной) парадигмой согласно разработанному нами алгоритму обработки были получены цифровые показатели тканевой перфузии - скорости церебрального кровотока (медиана, 1й, 3й квартили), в выбранных зонах головного мозга, сравнены с показателями CBF в состоянии покоя в этих же зонах. Самые высокие показатели CBF (см. таблица 2) при выполнении активного когнитивного задания определяются в зонах по соответствующим полям Бродмана (ПБ) - дорсолатеральной передней префронтальной коре (ДЛПФК) слева и справа ПБ 46/9; ПЦК справа и слева, а также дополнительная моторная кора (ДМК) (ПБ 6) и премоторная кора (ПМК). Согласно когнитивной концепции базовой функцией префронтальной коры является комплексное управление мыслительной и моторной активностью в соответствии с внутренними целями и планами, а в премоторной области коры формируется план и последовательность движений, что, вероятно, и обуславливает значимые изменения показателей тканевого кровотока на уровне ДЛПФК и ДМК/ПМК.
CBF - скорость церебрального кровотока; active- перфузионные данные при активации (при выполнении активной парадигмы); rest - перфузионные данные в зонах в состоянии покоя; ПБ - поле Бродмана; * - выбранные референсные участки в височных долях; ПБ21 - зоны без активации.
При этом показатели тканевой перфузии - скорости церебрального кровотока в зонах нейрональной активации при выполнении теста Струпа в состоянии покоя у здоровых добровольцев составляли (62,3-71,7 мл/100 г/мин), а в состоянии активной когнитивной блоковой парадигмой (68,7-80,3 мл/100 г/мин).
Примеры выполнения способа.
Пример 1.
Здоровый доброволец М., мужчина 50 лет, без очаговых изменений в веществе головного мозга согласно МРТ-визуализационным критериям (Fazekas, 1998). Добровольцу проводилось ASL исследование с активной блоковой когнитивной парадигмой (на базе теста Струп), суммарно получено 101 сканирование головного мозга. ASL. Далее провели расчет скорости церебрального кровотока в зонах сети управляющего контроля. Построили функциональные и перфузионные карты с последующим их совмещением. Затем выбрали зоны активации, в которых рассчитали показатели скорости церебрального кровотока путем описанной выше статистической обработки. Для данного испытуемого выявлены показатели в пределах нормальных значений (70,5-79,0 мл/100 г/мин) активации когнитивных зон, включающих: ДЛПФК с обеих сторон, ПМК, ДМК справа/слева с порогом достоверности р<0,001. На фиг. 2 представлены указанные зоны функциональной активации здорового добровольца, наложенные на 3D-MPR изображения головного мозга добровольца, при выполнении когнитивного теста Струпа, на основе перфузионных данных ASL.
Пример 2.
Здоровый доброволец Л., мужчина 52 лет, без очаговых изменений в веществе головного мозга согласно МРТ-визуализационным критериям (Fazekas, 1998). Путем алгоритма статистической обработки ASL исследования с активной блоковой когнитивной парадигмой для испытуемого из полученного объема 101 сканирования головного мозга посчитаны показатели скорости церебрального кровотока (CBF) и прирост CBF при выполнении когнитивного теста в выбранных когнитивных зонах головного мозга (мл крови/100 г ткани/мин), включающих: ДЛПФК с обеих сторон, ДМК/ПМК с порогом достоверности р<0,001. Данные представлены в таблице 4.
По полученным данным видно, что скорость кровотока CBF в состоянии активной когнитивной блоковой парадигмы соответствует границам нормальных значений и составляет (76,2-79,5 мл/100 г/мин). То есть четко прослеживается изменение скорости церебрального кровотока в ответ на стимул в выбранных зонах головного мозга, осуществляющих когнитивный контроль, что лучше прослеживается на уровне дорсолатеральной префронтальной коры (ДЛПФК) и дополнительной моторной коры (ДМК) (ПБ 6) и премоторной коры (ПМК) полушарий большого мозга.
На фиг. 3 представлены зоны функциональной активации на основе перфузионных данных ASL здорового добровольца М., наложенные на 3D-MPR изображения головного мозга добровольца, при выполнении когнитивного теста с подсчетом показателей тканевой перфузии - скорости церебрального кровотока (CBF) при выполнении когнитивного теста в выбранных когнитивных зонах головного мозга (мл крови/100 г ткани/мин).
Пример 3.
Пациентка Р., женщина 59 лет, с умеренными когнитивными нарушениями, с очаговыми изменениями в веществе головного мозга согласно МРТ-визуализационным критериям (Fazekas, 1998) 2 степени - умеренный сливающийся лейкоареоз вокруг боковых желудочков мозга (см. фиг. 2). Путем алгоритма статистической обработки AbL исследования с активной блоковой когнитивной парадигмой для испытуемого из полученного объема 101 сканирования головного мозга посчитаны показатели скорости церебрального кровотока (СВР) при выполнении когнитивного теста в выбранных когнитивных зонах головного мозга (мл крови/100 г ткани/мин), включающих: ДЛПФК с обеих сторон, ПМК, ДМК справа/слева с порогом достоверности р<0,001. Полученные данные скорости кровотока снижены по сравнению с группой нормы (меньше 68,7-80,3 мл крови/100 г ткани/мин). Данные представлены на фиг. 4 и в таблице 5.
*Координаты пика (центра) активации указаны в стереотаксическом пространстве координат Монреальского Неврологического Института - Montreal Neurological Institute - MNI (x,y,z).
Как видно из таблицы скорость церебрального кровотока в выбранных зонах нейрональной активации варьирует в пределах 51,3-62,8 мл крови/100 г ткани/мин, что меньше относительно базовых (CBF rest) показателей нормы 68,7-80,3 мл крови/100 г ткани/мин.
На фиг. 5 представлены зоны функциональной активации на основе перфузионных данных ASL пациентки Р., 59 лет, наложенные на 3D-MPR изображения головного мозга пациентки, при выполнении когнитивного теста с подсчетом показателей тканевой перфузии - скорости церебрального кровотока (CBF) при выполнении когнитивного теста в выбранных когнитивных зонах головного мозга (мл крови/100 г ткани/мин).
Таким образом, метод ASL может использоваться не только для определения перфузионных показателей тканевого кровотока, но и как функциональное исследование с получением карт головного мозга, с зонами нейрональной активации, с возможностью дальнейшей оценки изменений скорости церебрального кровотока в зонах головного мозга в состоянии покоя и при выполнении когнитивной парадигмы.
Преимуществом метода меченных артериальных спинов является возможность оценки показателя цереброваскулярного резерва (ЦВР) - реактивности, которая может нарушаться при различных заболеваниях головного мозга, в том числе при инсультах, черепно-мозговой травме, опухолях, входя в основное звено патогенеза нарушений тканевого кровообращения головного мозга при патологии. Анализ состояния механизмов реактивности имеет большое практическое значение, в том числе, необходим для назначения оптимальной вазоактивной терапии. Основные задачи системы мозгового кровообращения заключаются в минимизации отклонения циркуляторного и химического гомеостаза головного мозга при различных функциональных состояниях, что предполагает сложную структурно-функциональную организацию процесса регулирования мозгового кровотока.
По сравнению с функциональной МРТ, при которой косвенно определяется степень нейрональной активации (Функциональная магнитно-резонансная томография покоя: возможности и будущее метода Ю.А. Селивёрстов, Е.В. Селивёрстова, Р.Н. Коновалов, М.В. Кротенкова, С.Н. Иллариошкин), ASL позволяет характеризовать гемодинамический ответ головного мозга на стимул в физиологических значениях, дает возможность количественной оценки CBF в абсолютных единицах (мл крови/100 г ткани/мин) в активном и базовом состоянии с довольно точной локализацией участка нейрональной активации, что является абсолютным преимуществом предложенного способа.