Диффузионно-куртозисная магнитно-резонансная томография: новый метод характеристики структурной организации мозгового вещества (предварительные результаты у здоровых добровольцев)

18.10.2017

Диффузионно-куртозисная магнитно-резонансная томография: новый метод характеристики структурной организации мозгового вещества (предварительные результаты у здоровых добровольцев)

Достижения в области магнитного резонанса в медицине в течении последнего десятилетия открыли новые возможности в применении диффузионной магнитно-резонансной томографии в визуализации тканевой микроструктуры.

Широко применяемая в настоящее время диффузионно-тензорная магнитно-резонансная томография предполагает, что молекулярная диффузия в тканях мозга является только гауссовской. Однако наличие в мозговом веществе множества непроницаемых и полупроницаемых клеточных мембран, органелл, мембранных ионных насосов, пересекающихся нервных волокон и трактов ограничивает и затрудняет молекулярную диффузию.

Такая диффузия перестает быть гауссовской, поэтому диффузионно-тензорная томография не позволяет с высокой точностью оценить реальную микроструктуру ткани мозга. В настоящее время рекомендовано и разрабатывается несколько новых моделей не гауссовской диффузии молекул в мозговой ткани, применению одной из которых, а именно диффузионно-куртозисной магнитно-резонансной томографии, и посвящена данная статья. Методика позволяет одновременно оценивать и гауссовский, и не гауссовский компоненты диффузии, включая в себя диффузионно-тензорную магнитно-резонансную томографию.

Целью работы является анализ количественных параметров, получаемых при диффузионно-куртозисной магнитно-резонансной томографии (среднего, аксиального и радиального куртозиса, средней диффузии, фракционной и куртозисной анизотропии) в разных анатомических областях головного мозга 5 здоровых добровольцев молодого возраста. Проведена попытка интерпретации полученных данных с точки зрения гистологической микроструктуры мозговой ткани и физики. Согласно результатам работы, значения среднего, аксиального и радиального куртозиса, куртозисной и фракционной анизотропии статистически значимо выше в белом веществе мозга по сравнению с глубинным серым. Значения средней диффузии в белом и глубинном сером веществе мозга отличаются статистически незначимо.

Диагностические возможности диффузионно-взвешенной МРТ (ДВ-МРТ) в настоящее время достаточно хорошо изучены [1, 5]. ДВ-МРТ и диффузионно-тензорная МРТ (ДТ-МРТ) характеризуют гауссовскую диффузию. Однако наличие множества клеточных мембран, органелл, активных ионных насосов, пересекающихся аксонов в тканях мозга усложняет диффузию молекул, которая характеризуется как не гауссовская. Для оценки не гауссовской диффузии предложен ряд новых методик, одной из которых является диффузионно-куртозисная МРТ (ДК-МРТ). ДК-МРТ представляет собой дальнейшее развитие ДТ-МРТ и позволяет одновременно оценивать и гауссовский, и не гауссовский компоненты молекулярной диффузии, таким образом включая в себя ДТ-МРТ [3].

В настоящее время в литературе отмечаются только единичные работы относительно измерения количественных параметров ДК-МРТ в разных анатомических зонах головного мозга у здоровых [2, 4]. В работе проведен количественный анализ параметров ДК-МРТ в разных анатомических регионах головного мозга здоровых добровольцев с попыткой интерпретации полученных данных с точки зрения гистологической микроструктуры мозговой ткани и физики. Полученные результаты могут быть применены в качестве референсных значений для последующих исследований в нейрорадиологии.

Материалы и методы

Обследованы 5 здоровых добровольцев мужского пола в возрасте от 23 до 27 лет. МР-исследование проводилось на МР-томографе с магнитной индукцией 3 Тл, с применением импульсной последовательности SE-EPI и использованием 3 значений фактора диффузии b (0, 1000 и 2500 с/мм2) и 60 направлений диффузионных градиентов для каждого отличного от 0 b-фактора. Для исследования были выбраны следующие значения приведенных параметров: время TR = 10 000, время TE = 103,4, FOV = 240 ×240 мм, матрица изображения = 80 ×80 с последующей интерполяцией до 240 ×240, толщина срезов = 3 мм, NEX = 1. Время исследования составило 22 мин. Получены следующие количественные параметры: СК, АК, РК, КА, СД, ФА. Диффузионные параметры были вычислены в перечисленных ниже анатомических структурах обоих полушарий головного мозга для каждого добровольца: переднее бедро внутренней капсулы (ПБВК), заднее бедро внутренней капсулы (ЗБВК), скорлупа и бледный шар, головка хвостатого ядра, наружная капсула, семиовальный центр, таламус, белое вещество (БВ) лобных, теменных, височных и затылочных долей

Полученные средние значения и стандартные отклонения диффузионных параметров в разных анатомических структурах мозга условно здоровых добровольцев приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены усредненные значения диффузионных параметров для глубинного серого вещества (включающего головку хвостатого ядра, скорлупу, бледный шар и таламус) и белого вещества (включающего ПБВК, ЗБВК, наружную капсулу, семиовальный центр, белое вещество лобных, теменных, височных и затылочных долей). Также приведена статистическая значимость различия усредненных диффузионных параметров между серым и белым веществом с использованием теста Колмогорова — Смирнова.

Обсуждение

В настоящее время в нейрорадиологии применяется несколько моделей ДВ-МРТ. Все модели ДВ-МРТ основаны на естественном физическом процессе,происходящем во всех биологических клетках и тканях человеческого организма — диффузии молекул воды.

В изотропной гауссовской модели условно принимается, что молекулярная диффузия имеет одинаковую скорость во всех направлениях. Функция распределения перемещений молекул воды в изотропной модели гауссовской диффузии в пространстве представлена в виде сферы. Стандартные ДВИ, широко применяемые в современной МРТ,основаны на модели изотропной гауссовской диффузии.

На самом деле изотропная гауссовская диффузия в биологических тканях практически не наблюдается. Так, вдоль направления аксонов мозговых нейронов скорость молекулярной диффузии выше, чем в направлении, перпендикулярном аксонам. Поэтому новым подходом в визуализации мозговых структур стала модель анизотропной гауссовской диффузии, в которой функция распределения перемещений молекул воды в пространстве представлена в виде эллипсоида. На модели анизотропной гауссовской диффузии основана ДТ-МРТ, которая позволяет получить разные диффузионные параметры (рис. 1). Эти параметры сегодня применяются в нейрорадиологии для характеристики различных тканей: СД, АД, РД, ФА, ОА. СД(или измеряемый коэффициент диффузии ИКД) характеризует среднее значение скорости диффузии молекул, АД характеризует скорость молекулярной диффузии вдоль направления аксонов,а РД характеризует скорость диффузии в направлении, перпендикулярном направлению аксонов.

ФА и ОА характеризуют анизотропию диффузии, т. е. отражают степень отклонения диффузии от изотропной.

Значения ФА и ОА варьируют в пределах от 0 до 1. При изотропной диффузии ФА и ОА равны 0.

Рис. 1. Параметрические карты по значениям: средней диффузии (СД), аксиальной диффузии (АД), радиальной диффузии (РД), фракционной анизотропии (ФА), относительной
анизотропии (ОА)

Анизотропная модель гауссовской диффузии подходит для описания диффузии одного нервного волокна или в крайнем случае однонаправленных параллельных аксонов.

Вследствие наличия множества разнонаправленных нервных волокон в пределах одного вокселя мозгового вещества данная модель для характеристики параметров диффузии в мозговом веществе не вполне подходит (эллипсоид «расплывается»). Анизотропная модель еще более усложняется наличием в биологических тканях множества непроницаемых и полупроницаемых клеточных мембран, органелл, клеточных ионных насосов и т. д., дополнительно ограничивающих и затрудняющих диффузию. Вышеописанные недостатки
диффузионно-тензорной модели, связанной с предположением гауссовской диффузии в тканях, не позволяют с высокой точностью оценить реальную микроструктуру ткани мозга. В веществе мозга данный эффект наиболее выражен в местах пересечения волокон белого вещества, где ФА имеет ложно низкие значения, где диффузия, очевидно, не изотропная (рис. 2). Такая затрудненная молекулярная диффузия перестает быть гауссовской.

Показана слабая корреляция между данными средней диффузии и среднего куртозиса в мозговом веществе (коэффициент корреляции Спирмена «-0,29»). Это показывает, что данные параметры являются независимыми и взаимодополняющими в характеристике структуры биологических тканей [3].

В нашей работе усреднение диффузионных параметров разных анатомических областей на 2 категории: серое и белое вещество (см. табл. 2) — оказалось достаточно грубым, поскольку разные анатомические области как серого, так и белого вещества имеют уникальную гистологическую микроструктуру, чем объясняются значительные различия их диффузионных параметров (см. табл.1). Однако такое усреднение позволяет наглядно выявить различия между соответствующими параметрами серого и белого вещества и провести попытку интерпретировать эти различия.

Для характеристики не гауссовской диффузии в физике и радиологии применяют ДК-МРТ, которая включает в себя модели и гауссовской, и не гауссовской диффузии [3, 7, 10]. Для вычисления значений куртозиса необходимо применение минимум 2 (или более) значений фактора диффузии b > 0, а значения b должны лежать в пределах 1000 с/мм² < b < (2000-3000 с/мм²) [3,7, 10]. При применении максимальных значений b ниже 2000 с/мм² выявляется выраженное снижение точности оценки куртозиса [3]. Предполагается,что с увеличением диффузионной гетерогенности системы, т. е. при наличии нескольких компартментов с разными значениями коэффициента диффузии,куртозис увеличивается. Для расчета куртозиса нежелательно наличие в тканях потоков жидкости и эффектов Т2*-релаксации [3].

Рис. 2. Ложное снижение фракционной анизотропии в семиовальных центрах (белые стрелки) — местах пересечения трактов белого вещества. Этот недостаток не определяется на картах куртозисной анизотропии

ДК-МРТ позволяет получить ряд параметров, которые могут быть применены в нейрорадиологии: СК, АК,РК, КА (рис. 3). СК характеризует среднее значение куртозиса молекул, АК xарактеризует куртозис вдоль аксонов,а РК характеризует куртозис в направлении, перпендикулярном направлению аксонов. КА характеризует анизотропию куртозиса. Ее значения, так же как и при ФА и ОА, варьируют в пределах от 0 до 1. Например, чем плотнее расположены нервные волокна, тем более высокие значения принимают ФА и КА. В сером веществе (изотропная диффузия)значения ФА и КА низкие, т.е. в разных направлениях куртозис имеет примерно одинаковые высокие значения, а скорость диффузии примерно одинаковые низкие значения.

Куртозис диффузии может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В структурах ЦНС значения куртозиса преимущественно положительные, а отрицательные значения возникают вследствие артефактов (шума и т. д.).

Рис. 3. Параметрические карты, построенные по значениям среднего куртозиса (СК), аксиального куртозиса (АК), радиального куртозиса (РК), куртозисной анизотропии (КА)

Статистически значимые более высокие значения РК в белом веществе по сравнению с серым (см. табл. 2) можно объяснить тем,что белое вещество преимущественно состоит из плотно расположенных миелиновых нервных аксонов и миелиновая оболочка значительно затрудняет молекулярную диффузию в перпендикулярном аксонам направлении, повышая соответственно РК. Диффузия молекул воды вдоль направления аксонов не так сильно затруднена, поэтому АК в белом веществе имеет более низкие значения и, в отличие от РК, не так сильно отличается от АК серого вещества, хотя это отличие статистически значимое (см.табл. 2).

Глубинное серое вещество состоит преимущественно из тел нейронов,нейроглии, а также из нервных аксонов и дендритов. Клетки имеют примерно одинаковые размеры по разным осям системы координат в пространстве, поэтому значения СК, АК и РК в сером веществе не сильно отличаются (см. табл.1, 2), а существующее отличие объясняется все же определенным наличием нервных отростков. Такая микроструктура объясняет низкие значения ФА в сером веществе (скорость диффузии во всех направлениях одинаково низкая) и низкие значения КА (диффузия во всех направлениях одинаково сильно затруднена). Белое вещество имеет значительно более высокие значения ФА и КА по сравнению с серым веществом,что объясняется тем, что вдоль направления аксонов скорость молекулярной диффузии намного больше и затрудненность диффузии намного меньше, чем в других направлениях. Данное утверждение для белого вещества является следствием плотного, упорядоченного и направленного расположения миелиновых нервных аксонов.

Заключение

ДТ-МРТ характеризует гауссовский компонент диффузии и не подходит для комплексной и углубленной характеристики микроструктуры ткани мозга. ДК-МРТ описывает не гауссовский компонент молекулярной диффузии, одновременно включая в себя и ДТ-МРТ. Ряд дополнительных количественных параметров (МК, РК, АК, КА и т. д.), получаемых при ДК-МРТ в дополнение к параметрам ДТ-МРТ, позволяют более разносторонне характеризовать структурную организацию ткани мозга и имеют большой диагностический потенциал.

Количественные параметры диффузионного куртозиса (СК, АК, РК) и диффузионного тензора (СД, АД, РД) являются достаточно независимыми и взаимодополняющими в характеристике структуры биологических тканей, особенно мозга. СД, в отличие от параметров куртозиса, зависит не только от структуры ткани, но также и от концентрации макромолекул, поэтому является менее специфичным индикатором микроструктурных изменений в ткани по сравнению с куртозисом [3].

ДК-МРТ имеет больше возможностей в характеристике микроструктуры в изотропных тканях (в сером веществе) по сравнению с ДТ-МРТ. Включая в себя одновременно ДТ-МРТ, а также возможности построения проводящих путей белого вещества мозга из одного набора данных, вполне возможно, что в недалеком будущем ДК-МРТ заменит ДТ-МРТ.

Полученные количественные показатели ДК-МРТ разных анатомических областей головного мозга не противоречат опубликованным в литературе данным [2, 4] и могут быть использованы в качестве референсных значений в нейрорадиологии для последующих исследований.

Список литературы

Захарова Н. Е., Потапов А. А., Корниенко В. Н., Пронин И. Н., Зайцев О. С., Гаврилов А. Г., Фадеева Л. М, Ошоров А. В.,Сычев А. А., Такуш С. В. Динамические исследования структуры мозолистого тела и кортикоспинальных трактов с помощью диффузионно-тензорной МРТ при диффузных аксональных повреждениях // Вопросы нейрохирургии. 2010. № 3. C. 3-10.
Fieremans E., Jensen J. H, Helpern J. A.White matter characterization with diffusional kurtosis imaging // Neuro- image. 2011. № 58. P. 177-188.
Jensen J. H., Helpern J. A. MRI quanti-fication of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis // NMR in Biomed. 2010. № 23. P. 698-710.
Latt J., Nilsson M., Wirestam R., Stahlberg F., Karlsson N., Johansson M., Sundgren P. C., van Westen D. Regional values of diffusional kurtosis estimates in the healthy brain // J. of Magnetic Resonance Imaging. 2013. V. 37. № 3. P. 610-618.
Lobel U., Sedlacik J, Gullmar D., Kaiser W. A., Reichenbach J. R., Mentzel H. J. Dif- fusiontensorimaging:thenormalevolution of ADC, RA, FA, and eigenvalues studied in multiple anatomical regions of the brain // Neuroradiol. 2009. № 51.Poot D. H., den Dekker A. J, Achten E., Verhoye M., Sijbers J. Optimal experimental design for diffusion kurtosis imaging // IEEE Transactions on Med.Imaging. 2010. № 29. P. 819-829.

Теги: магнитно-резонансная томография
234567 Начало активности (дата): 18.10.2017 21:28:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова: диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография, диффузионно-тензорная магнитно-резонансная томография, диффузионно-куртозисная магнитно-резонансная томография, нейровизуализация
12354567899

Похожие статьи