24.07.2025

Возможности метода Т2*-релаксометрия в диагностике гипоксии головного мозга плода

Существующие в настоящее время способы оценки оксигенации мозга плода являются косвенными и приводят либо к недооценке клинической ситуации, либо, наоборот, к чрезмерным акушерским вмешательствам

Введение

МРТ плода является верификационным методом диагностики после планового ультразвукового исследования и выполняется для подтверждения, уточнения или исключения обнаруженных патологических изменений, а также выявления дополнительных аномалий [1-3]. Пороки развития центральной нервной системы являются одними из основных показаний к проведению МРТ плода [4]. Наряду со структурной визуализацией патологических изменений, начинается внедрение и новых количественных методов МРТ, в том числе для исключения последствий гипоксии, так как используемые сегодня биофизические и биохимические методы могут выявить лишь косвенные показатели возможного развития гипоксии у плода [5].

При гипоксии любого генеза концентрация кислорода уменьшается, а количество дезоксигенированного гемоглобина увеличивается. Обладая парамагнитными свойствами, дезоксигемоглобин индуцирует локальные неоднородности постоянного магнитного поля и значительно усиливает дефазировку сигнала вокруг эритроцитов, тем самым и сокращая Т2*-время релаксации (ВР). Этот эффект лежит в основе BOLD (blood oxygen level dependent)/функциональной МРТ (зависящей от уровня кислорода в крови МРТ) [6-8].

 Также свой вклад вносит и базовое Т2-ВР, которое меняется в зависимости от содержания воды, отложения липидов и накопления макромолекул [9]. С помощью магнитно-резонансной релаксометрии можно измерить времена релаксации Т1, Т2, Т2*, которые являются абсолютными количественными характеристиками тканей [10].

Т2*-релаксация — это затухание поперечной намагниченности, вызванное сочетанием спин-спиновой релаксации и локальных неоднородностей магнитного поля, видимое при последовательностях GRE (gradient echo, градиентное эхо). Дезоксигемоглобин из-за своих парамагнитных свойств создает микроскопические неоднородности поля, что вызывает снижение сигнала на Т2*-ВИ и напрямую свидетельствует о снижении оксигенации ткани с возможностью количественной оценки этого состояния in vivo [11].

В данном обзоре рассматриваются основы применения Т2*-релаксометрии в диагностике гипоксических состояний головного мозга плода, описано современное состояние метода.

Т2*-релаксометрия в пренатальной диагностике ишемии

Кислородное голодание, или гипоксия плода — наиболее распространенное последствие осложненной беременности, возникающее в результате нарушений плацентации, острых ситуаций, инфекций, воздействия токсических веществ и ряда материнских факторов. Недостаточное поступление кислорода к мозговой ткани плода приводит к гипоксическо-ишемической энцефалопатии, которая, в свою очередь, выступает предиктором развития церебрального паралича, а также других неврологических и когнитивных нарушений у ребенка [13, 14].

Гипоксия плода, определяемая сегодня по косвенным показателям пуповинной крови и методом допплерометрии средней мозговой артерии, имеет большое количество ложноположительных результатов в связи с известными эффектами перераспределения крови и саморегулирующимися метаболическими механизмами защиты мозга от гипоксии [15, 16]. Диагностические неточности приводят к необоснованным акушерским вмешательствам, поэтому сохраняется потребность в более достоверных методах диагностики гипоксии.

Наибольшее количество исследований возможностей Т2*-релаксометрии касаются применения данного метода для определения состояния мозга плода как в норме, так и при гипоксических состояниях.

Впервые Т2*-ВР мозга плода были получены в исследовании S. Vasylechko и соавторов (2014) [18], согласно которому средние значения Т2*-ВР основных областей головного мозга плода (приведены на рис. 1) были сопоставимы или превышали значения Т2*-ВР мозга новорожденных, а также были существенно больше, чем у взрослых. Кроме того, было выявлено выраженное снижение Т2*-ВР с увеличением гестационного возраста, что, по мнению авторов, было связано с увеличением синаптической плотности, миелинизацией, изменением мозгового кровотока и снижением содержания воды в тканях головного мозга плодов по мере внутриутробного развития.

В последующем были впервые получены данные о гестационном изменении Т2*-ВР серого вещества кортикальной пластинки/корковой ткани серого вещества мозга здоровых плодов [19]. На рисунке 2 показаны значения Т2*-ВР, рассчитанные у плодов на разных сроках гестации.

В недавней работе K. Baadsgaard и коллег (2022) подтвержден высокий потенциал взвешенной по Т2* МРТ плода в диагностике гипоксии in vivo [20]. Т2*-ВР фетальных органов было снижено при патологии плаценты, причем изменения по данным МРТ наблюдались еще до того, как были выявлены изменения кровообращения плода с помощью допплерографии. Также было отмечено снижение Т2*-ВР с увеличением срока гестации, что, по мнению авторов, связано не только с изменением свойств тканей плода в процессе их созревания, но и с уменьшением оксигенации органов в процессе развития.

У плодов с пороками сердца происходит снижение церебральной оксигенации вследствие аномального смешивания насыщенной кислородом крови из плаценты и дезоксигенированной крови из тела плода. Вследствие этого ожидается изменение Т2*-ВР головного мозга при ре- лаксометрии, что и было продемонстрировано в нескольких исследованиях [21-23]. Сравнение полученных значений Т2*-ВР мозга здоровых плодов и плодов с пороками сердца показано на рисунке 3.

 

Недавно проведены эксперименты [24, 25], рассматривающие применение Т2* МРТ на томографах с индукцией магнитного поля 0,55 Тл. МРТ на низкопольном томографе обладает рядом преимуществ, таких как: уменьшение артефактов на изображениях, повышенный комфорт пациента, более длительные Т2* времена релаксации. В этих исследованиях получены ожидаемо большие абсолютные значения Т2*-ВР, чем на высокопольных томографах, а также подтверждено снижение среднего Т2*-ВР головного мозга плодов с увеличением срока гестации.

Систематизированные данные, полученные из литературных источников, обобщающие результаты измерения Т2*-ВР мозга плодов, приведены в таблице 1.

Методики проведения, постобработки и оценки результатов Т2*-релаксометрии мозга плода

МРТ мозга плода является непростой задачей из-за малых размеров исследуемых структур, дыхания матери и, особенно, из-за непредсказуемых движений плода [26]. Из-за влияния этих факторов полученные изображения могут иметь артефакты, вызванные движениями, что требует настройки в реальном времени плоскости съемки для получения точных ортогональных изображений относительно анатомии мозга плода (в аксиальной, коронарной, сагиттальной плоскостях) [27].

Для расчета Т2*-ВР требуется получение нескольких (минимум двух) Т2*-ВИ с различными временами эха (time echo, TE). Добавление дополнительных времен эха, с одной стороны, повышает точность оценки Т2*-ВР, а с другой — значительно увеличивает время сканирования. Считается, что для надежного количественного определения Т2*- ВР у взрослых достаточно шести отдельных Т2*- ВИ [28]. Однако с увеличением времени исследования возрастает влияние артефактов от хаотичного движения плодов в процессе сканирования. При этом для точного разграничения структур в маленьком мозге плода и оценки релаксационных параметров тканей необходимо получение высококачественных МРТ-изображений. Для достижения компромисса между скоростью получения и качеством изображений требуется разработка быстрых протоколов сканирования, а также поиск методов коррекции артефактов от движений в получаемом наборе изображений.

Время релаксации Т2* мозга плода было оценено в девяти исследованиях, среди которых два было выполнено на томографе 0,55 Тл [24, 25], пять на томографе 1,5 Тл [18-21], два на томографе 3  [22, 29]. Т2*-ВИ были получены с помощью последовательностей GRE (gradient echo, градиентное эхо). В некоторых исследованиях для ускорения процесса сканирования применялись методики, основанные на эхо-планарной визуализации (echo planar imaging, EPI) [18, 19, 23, 25], позволяющей получить весь набор данных после одного радиочастотного возбуждающего импульса.

Применяемые авторами протоколы МРТ отличались количеством и диапазоном времен эха (TE). Так, в исследовании [19] Т2*-ВР оценивалось на основе двух, в исследованиях [18, 21, 23, 24] — на основе пяти, в исследовании [22] — восьми, а в исследованиях [20, 21] — на основе шестнадцати изображений с различными значениями ТЕ.

Значения Т2* области интереса (region of interest, ROI), охватывающей исследуемые структуры на изображениях без видимых артефактов, были получены путем нелинейной аппроксимации с использованием моноэкспоненциальной функции затухания среднего сигнала в пределах ROI на каждом изображении с разными значениями TE:

где S. — измеренная интенсивность сигнала в ROI; TE. — соответствующее время эхо-сигнала; S0 — сигнал при нулевом TE (равновесная намагниченность) [18]. Таким образом, чем больше изображений получено с различными значениями ТЕ, тем точнее можно рассчитать спад индукции и соответственно время релаксации Т2*.

В некоторых исследованиях значение Т2* рассчитывалось как среднее значение от нескольких срезов [18], в других Т2* было получено на основе 3D-карт мозга плода [19, 23], пример которых показан на рисунке 4.

В исследовании [18], где впервые были измерены Т2*-ВР мозга плодов, использовался метод single shot multiecho gradient echo EPI с кодированием чувствительности (SENSE) и с минимальными интервалами между эхо-сигналами. Данный метод позволил осуществить «заморозку» движения плода внутри среза, однако не решал проблему движения между срезами, так что исследователям приходилось выделять ROI на каждом срезе по отдельности. Оценка Т2*-ВР выполнялась после выравнивания вокселов мозга между отдельными эхо-изображениями.

В исследовании [19] Т2*-ВР измерялись с помощью 3D-карт, на основе 2D-данных с двойным эхо-сигналом, взвешенных по Т2*, созданных с применением коррекции движения между срезами с последующей реконструкцией изображений с высоким разрешением на основе нескольких эхо-изображений. Схематичное изображение этого процесса отражено на рисунке 5.

В исследовании [29] было предложено использовать автоматический комбинированный тканеспецифичный анализ, сочетающий использование структурных Т2-ВИ и количественных значений Т2*-ВР соответствующих областей. 

При таком анализе сегментация Т2*-параметрических карт служит для расчета тканеспецифичных значений Т2*-ВР, тогда как Т2-взвешенные изображения предоставляют информацию о структуре и объеме мозга.

Обобщенные и систематизированные данные по методике проведения Т2*-релаксометрии представлены в таблице 2.

Обсуждение

Количественные методы все чаще используются в МРТ плода. В данном обзоре были рассмотрены исследования, касающиеся метода Т2*-ре- лаксометрии головного мозга плода с оценкой возможности применения метода для диагностики внутриутробных гипоксических состояний.

Исходя из представленных в обзоре данных, можно сделать два основных вывода. Во-первых, полученные многими авторами Т2*-ВР мозга плода имеют отрицательную корреляцию с гестационным возрастом, что, вероятно, связано как с физиологическим уменьшением оксигенации мозга, особенно в третьем триместре, так и с естественным созреванием ткани при развитии плода. Во-вторых, существует ряд исследований, которые продемонстрировали заметное снижение Т2*-ВР мозга при гипоксических состояниях, связанных с патологиями развития сердечно-сосудистой системы плода. Следовательно, на сегодняшний день существуют определенные, хоть и разрозненные нормативные ориентиры Т2*-ВР релаксации мозга плода, а также данные о том, что метод Т2*-ре- лаксометрии достаточно чувствителен в оценке гипоксии головного мозга благодаря обнаружению снижения Т2*-ВР, особенно на позднем сроке. 

Кроме того, мы постарались суммировать опыт предшествующих исследователей по методике проведения и получения количественных данных Т2*-ВР для облегчения освоения данного метода отечественными специалистами лучевой диагностики на этапах преклинических и клинических испытаний. Надо отметить, что применение количественных и функциональных методов МРТ в пренатальной диагностике сопряжено с большими техническими сложностями, связанными с малыми размерами и неконтролируемыми движениями объекта обследования, особенно во втором триместре. Именно поэтому мы не ожидаем быстрого внедрения метода Т2*-релаксометрии в практическую медицину. 

Однако с учетом высокой востребованности метода количественного определения гипоксических состояний у плода очевиден большой потенциал метода, который, по данным нашего обзора литературы, требует пристального внимания и дальнейшей разработки современных методов сканирования, постобработки изображений, в том числе с помощью нейросетевого моделирования. По нашему мнению, слабой стороной международного опыта является малое количество и разрозненность проведенных исследований, отсутствие разработанных стандартов внутриутробной Т2*-релаксометрии. Прежде всего, этот новый неинвазивный количественный инструмент определения гипоксических состояний плода требует дальнейшей валидации нормативных показателей на большей выборке и при различных верифицированных факторах риска, чтобы стать достоверным маркером внутриутробной гипоксии, своевременно указывающим врачам на необходимость лечебных мероприятий и коррекции тактики ведения беременности.

Заключение

Все авторы исследований Т2*-релаксометрии подчеркивают, что ни один из ранее используемых методов не обладал таким потенциалом исследования гипоксии ткани in vivo, каким обладает метод Т2*-релаксометрии, поскольку он описывает фундаментальные свойства релаксации тканей и, следовательно, дает возможность определять изменения на функциональном уровне до появления необратимых органических повреждений мозга. Таким образом, данный неинвазивный метод пренатальной диагностики может обеспечить эффективную количественную оценку оксигенации мозга плода, а также помогает проследить естественные морфофункциональные изменения мозга в процессе внутриутробного развития, углубляя наши фундаментальные знания о процессах физиологического и патологического нейрогенеза.

В последние 10 лет зарубежными учеными были получены первые значения Т2*-ВР мозга плода, предложены технические подходы для борьбы с артефактами от движений плода, рассмотрены различные инструменты для реконструкции изображений, получения количественных данных. МРТ, основанная на Т2*-релаксометрии, требует дальнейшей разработки, а количественные данные — валидации на большой выборке, что является актуальной задачей отечественной и мировой пренатальной диагностики.

Список литературы 

Masselli G, Vaccaro Notte MR, Zacharzewska- Gondek A, et al. Fetal MRI of CNS abnormalities. Clin Radiol. 2020;75(8):640.e1-640.e11. DOI:10.1016/j. crad.2020.03.035.

Manganaro L, Capuani S, Gennarini M, et al. Fetal MRI: what’s new? A short review. Eur Radiol Exp. 2023;7(1):41. DOI:10.1186/s41747-023-00358-5.

Powers AM, White C, Neuberger I, et al. Fetal MRI Neuroradiology: Indications. Clin Perinatol. 2022;49(3):573-586. D0I:10.1016/j.clp.2022.05.001.

Manganaro L, Antonelli A, Bernardo S, et al. Highlights on MRI of the fetal body. Radiol Med. 2018 Apr; 123(4):271-285. DOI:10.1007/s11547-017-0834-7.

Hussain NM, O’Halloran M, McDermott B, et al. Fetal monitoring technologies for the detection of intrapartum hypoxia — challenges and opportunities. Biomed Phys Eng Express. 2024;10(2). DOI:10.1088/2057-1976/ad17a6.

O’Connor JPB, Robinson SP, Waterton JC. Imaging tumour hypoxia with oxygen-enhanced MRI and BOLD MRI. Br J Radiol. 2019;92(1095):20180642. DOI:10.1259/bjr.20180642.

Vu C, Chai Y, Coloigner J, et al. Quantitative perfusion mapping with induced transient hypoxia using BOLD MRI. Magn Reson Med. 2021;85(1):168— 181. DOI:10.1002/mrm.28422.

Sayin ES, Schulman J, Poublanc J, et al. Investigations of hypoxia-induced deoxyhemoglobin as a contrast agent for cerebral perfusion imaging. Hum Brain Mapp. 2023;44(3):1019-1029. DOI:10.1002/ hbm.26131.

Bottomley PA, Hardy CJ, Argersinger RE, et al. A review of 1H nuclear magnetic resonance relaxation in pathology: are T1 and T2 diagnostic? Med Phys. 1987;14(1): 1—37. DOI:10.1118/1.596111.

Cheng HL, Stikov N, Ghugre NR, et al. Practical medical applications of quantitative MR relaxometry. J Magn Reson Imaging. 2012;36(4):805- 24. DOI:10.1002/jmri.23718.

Chavhan GB, Babyn PS, Thomas B, et al.

Principles, techniques, and applications of T2*- based MR imaging and its special applications. Radiographics. 2009   Sep-Oct;29(5):1433-49.

Cameron IL, Ord VA, Fullerton GD. Characterization of proton NMR relaxation times in normal and pathological tissues by correlation with other tissue parameters. Magn Reson Imaging. 1984;2(2):97-106. DOI:10.1016/0730-725x(84)90063-8.

Giussani DA. The fetal brain sparing response to hypoxia: physiological mechanisms. J Physiol. 2016;594(5):1215-30. DOI:10.1113/JP271099.

Prayer D, Brugger PC, Kasprian G, et al. MRI of fetal acquired brain lesions. Eur J Radiol. 2006;57(2):233-49. DOI:10.1016/j.ejrad.2005.11.023.

Yusenko SR, Nagorneva SV, Kogan IYu. Changes in fetal cerebral hemodynamics in fetal growth retardation. Rossijskij vestnik akushera- ginekologa=Russian Bulletin of Obstetrician- Gynecologist. 2024;24(3):36-41. In Russian [Юсен- ко С.Р., Нагорнева С.В., Коган И.Ю. Изменение мозговой гемодинамики плода при задержке его роста. Российский вестник акушера-гинеколога. 2024;24(3):36-41].

Lazareva GA, Chebysheva EL. Role of dopplerometric indicators in assessment of fetal cerebral hemodynymics. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya=Modern problems of science and education. 2021;5;123. In Russian [Лазарева Г.А., Чебышева Е.Л. Роль допплерометрических показателей в оценке церебральной гемодинамики плода. Современные проблемы науки и образования. 2021;5:123].

Vasung L, Fischi-Gomez E, Huppi PS. Multimodality evaluation of the pediatric brain: DTI and its competitors. Pediatr Radiol. 2013;43(1):60-8. DOI:10.1007/s00247-012-2515-y.

Vasylechko S, Malamateniou C, Nunes RG, et al. T2* relaxometry of fetal brain at 1.5 Tesla using a motion tolerant method. Magn Reson Med. 2015;73(5):1795-802. DOI:10.1002/mrm.25299.

Blazejewska AI, Seshamani S, McKown SK, et al. 3D in utero quantification of T2* relaxation times in human fetal brain tissues for age optimized structural and functional MRI. Magn Reson Med. 2017;78(3):909-916. DOI:10.1002/mrm.26471.

Baadsgaard K, Hansen DN, Peters DA, et al. T2* weighted fetal MRI and the correlation with placental dysfunction. Placenta. 2023;131:90-97. D0I:10.1016/j.placenta.2022.12.002.

Lauridsen MH, Uldbjerg N, Henriksen TB, et al. Cerebral Oxygenation Measurements by Magnetic Resonance Imaging in Fetuses With and Without Heart Defects. Circ Cardiovasc Imaging. 2017;10(11):e006459.

Peyvandi S, Xu D, Wang Y, et al. Fetal Cerebral Oxygenation Is Impaired in Congenital Heart Disease and Shows Variable Response to Maternal Hyperoxia. J Am Heart Assoc. 2021;10(1):e018777. DOI:10.1161/ JAHA.120.018777.

Cromb D, Steinweg J, Aviles Verdera J, et al. T2*-Relaxometry MRI to Assess Third Trimester Placental and Fetal Brain Oxygenation and Placental Characteristics in Healthy Fetuses and Fetuses With Congenital Heart Disease. J Magn Reson Imaging. 2024. DOI:10.1002/jmri.29498.

Aviles Verdera J, Story L, Hall M, et al. Reliability and Feasibility of Low-Field-Strength Fetal MRI at 0.55 T during Pregnancy. Radiology. 2023;309(1):e223050. DOI:10.1148/radiol.223050.

Payette K, Uus AU, Kollstad E, et al. T2* relaxometry of fetal brain structures using low- field (0.55T) MRI. Magn Reson Med. 2024;1-12. DOI:10.1002/mrm.30409.

Malamateniou C, Malik SJ, Counsell SJ, et al. Motion-compensation techniques in neonatal and fetal MR imaging. AJNR Am J Neuroradiol. 2013;34(6):1124-36. DOI:10.3174/ajnr.A3128.

Ciceri T, Casartelli L, Montano F, et al. Fetal brain MRI atlases and datasets: A review. Neuroimage. 2024 Apr 15; 292:120603. DOI:10.1016/j. neuroimage.2024.120603.

Peran P, Hagberg G, Luccichenti G, et al. Voxel-based analysis of R2* maps in the healthy human brain. J Magn Reson Imaging. 2007;26(6):1413-20. DOI:10.1002/jmri.21204.

Uus AU, et al. Combined Quantitative T2* Map and Structural T2-Weighted Tissue-Specific Analysis for Fetal Brain MRI: Pilot Automated Pipeline. In: Link-Sourani D, Abaci Turk E, Macgowan C, et al. (eds). Perinatal, Preterm and Paediatric Image Analysis. PIPPI 2023. Lecture Notes in Computer Science. 2023. Vol. 14246. Springer, Cham. DOI:10.1007/978-3-031- 45544-5_3.

Информация об авторах:

Параскун Ксения Алексеевна, лаборант лаборатории функциональной нейровизуализации, ФГБУН Институт «Международный томографический центр» СО РАН;

Савелов Андрей Александрович, к.ф-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН Институт «Международный томографический центр» СО РАН;

Коростышевская Александра Михайловна, д.м.н., ведущий научный сотрудник, заведующая отделением медицинской диагностики, ФГБУН Институт «Международный томографический центр» СО РАН.

 

Теги: гипоксия
234567 Начало активности (дата): 24.07.2025
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова:  гипоксия, градиентное эхо, магнитно-резонансная томография, мозг плода, пренатальная диагностика, Т2*-релаксометрия, эхо-планарная визуализация
12354567899