Методы визуализации внутренних структур мозга - КТ и МРТ

До начала 1970-х гг. единственным методом визуализации живого мозга оставалась рентгенография, позволявшая получить статическое изображение внутренних структур мозга под одним углом. Новая эра в развитии методов нейровизуализации началась в первой половине 1970-х гг., когда Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд (Allan Cormack, Godfrey Hounsfield) независимо друг от друга разработали основанный на использовании рентгеновского излучения метод, который сейчас называют компьютерной томографией (КТ).

Кормак и Хаунсфилд обнаружили, что узкий пучок рентгеновских лучей можно пропускать через один и тот же объект под разными углами, чтобы получить множество снимков. Снимки можно комбинировать с применением компьютерных и математических методов, чтобы создать трехмерное изображение мозга. Самоназвание метода говорит о том, что томография (от греч. tomo — срез) предполагает получение изображений отдельных «срезов» мозга.

Метод КТ напоминает способ, который наши глаза (и наш мозг) используют, чтобы оценить глубину и расстояние и определить местоположение объекта в пространстве. Однако КТ анализирует намного больше, чем два изображения, — это можно сравнить с прогулкой по нескольким местам, чтобы полюбоваться разными видами. Поглощение рентгеновского излучения зависит от плотности тканей. Ткани с высокой плотностью, например костная ткань, сильно поглощают рентгеновские лучи.

Ткани с низкой плотностью, такие как спинномозговая жидкость и кровь, являются слабо поглощающими. Нервная ткань обладает средней поглощающей способностью. Программное обеспечение преобразует такие различия в поглощении излучения в электронное изображение мозга, на котором темные участки соответствуют областям с низкой плотностью, а светлые участки -областям с высокой плотностью.

На рисунке 1, А представлен пример КТ-снимка. Белое кольцо — это обладающий высокой плотностью череп. Плотность серого вещества практически не отличается от плотности белого вещества, поэтому их практически невозможно различить с помощью КТ — на снимке кора больших полушарий и лежащее под ней белое вещество выглядят как более или менее однородная серая масса. При этом желудочки визуализировать можно, так как заполняющая их жидкость имеет существенно более низкую плотность — на КТ-снимке желудочки, как и некоторые крупные борозды коры больших полушарий, выглядят как более темные участки.

Каждая точка на снимке, изображенном на рис. 1, А, соответствует участку ткани диаметром около 1 мм — такого разрешения хватает, чтобы распознать объекты, расположенные в 5 мм друг от друга. Это позволяет локализовать опухоли и повреждения мозга.

Рисунок 1. КТ-снимок и реконструкция мозга. А. Дорсальный срез мозга пациента с афазией Брока. Затемнение в левой передней части снимка — это пораженная область. Б. Схематическое изображение поперечного среза с обозначенной синим пораженной областью. В. Реконструкция мозга — латеральная поверхность левого полушария с обозначенной синим пораженной областью.

Повреждение, обозначенное па рис. 1, А, -это пораженная область, которая выглядит как затемнение на снимке из-за меньшего числа нейронов и большего количества жидкости. Это снимок мозга пациента с афазией Брока — неспособностью к воспроизведению речи при нормальном понимании речи и сохранном речевом аппарате. Подтвердить диагноз позволяет локализация поражения — левая лобная кора (рядом с имеющими форму бабочки боковыми желудочками).

На рисунке 1, Б представлена схема того же поперечного среза, на которой пораженная область обозначена цветом. На рисунке 1, В представлено изображение боковой поверхности левого полушария, полученное путем анализа серии КТ-снимков, которое позволяет оценить объем поражения.

Альтернатива КТ — это магнитно-резонансная томография (МРТ). В основе метода лежит способность атомов водорода ориентироваться и менять свою пространственную ориентацию в магнитном поле. Процедура МРТ представлена на рис. 2. Дорсальный срез мозга отображает различия в насыщенности разных областей мозга атомами водорода в виде более светлых и более темных участков.

Рисунок 2. Магнитно-резонансная томография. А и Б. Испытуемого помещают в длинный металлический туннель с двумя наборами катушек индуктивности, развернутыми под соответствующими углами. Дополнительный источник радиочастотного сигнала (не представлен на рисунке) окружает голову — он вызывает статическое возмущение, необходимое для получения магнитно-резонансного изображения поперечного среза головы (на рисунке представлен дорсальный срез). Испускаемые колеблющимися атомами электрические токи регистрируются MP-томографом, который отображает различные типы тканей (спинномозговую жидкость, вещество мозга и костную ткань) в виде более светлых и более темных участков в зависимости от концентрации атомов водорода в тканях (см. рис. В)

Обычно атомы водорода хаотично двигаются в разных направлениях, однако, если поместить их в мощное магнитное поле, они выстраиваются параллельно, ориентируясь по силовым линиям статического поля. MP-томограф воздействует на мозг, атомы которого выстроились описанным выше образом, с помощью радиочастотных импульсов. Каждый радиочастотный импульс создает вторичное магнитное поле, которое заставляет вращающиеся атомы отклониться от исходного положения, обеспечиваемого статическим магнитным полем.

По окончании каждого радиочастотного импульса атомы водорода возвращаются в исходное положение в статическом поле — в этот момент они испускают небольшое количество энергии, а катушка индуктивности воспринимает эту энергию. Анализируя воспринимаемые катушкой индуктивности сигналы, компьютер воспроизводит концентрацию ядер водорода, обеспечивая создание магнитно-резонансного изображения. Магнитно-резонансные изображения отображают насыщенность различных областей мозга атомами водорода.

Например, области с высоким содержанием воды (Н₂О), образованные преимущественно телами нейронов, отличаются от областей с более низким содержанием воды (области, образованные преимущественно аксонами). Пример магнитно-резонансного изображения представлен на рис. 2, В.

Диффузионная спектральная томография - MP-метод измерения направленного движения молекул воды, применяемый для визуализации нервных волокон в головном мозге. Молекулы воды относительно свободно перемещаются внутри аксона и гораздо менее свободно проникают через клеточные мембраны. Катушка индуктивности определяет направление движения молекул воды, а компьютер интерпретирует полученные данные. Диффузионная спектральная томография позволяет выявить аномалии нервных путей, а также обнаружить изменения миелиновых оболочек нервных волокон, в том числе приводящие к утрате миелина при рассеянном склерозе.

Изображения из серии, показанной на рис. 3, представляют собой дорсальные срезы головного мозга различной глубины. Нам кажется, что изображения демонстрируют реальные нервные волокна, но на самом деле они являются виртуальними — это созданная компьютером реконструкция движения молекул воды по аксонам, которая должна соответствовать реально существующим нервным волокнам. Несмотря на это, диффузионная спектральная томография позволяет с легкостью выявить аномалии нервных волокон и миелиновых оболочек, возникающие в том числе при рассеянном склерозе, инсульте или сотрясении мозга.

Рисунок 3. Диффузионная спектральная томография. МРТ позволяет измерить диффузию молекул воды в белом веществе, что может быть использовано для визуализации пучков нервных волокон. На рисунке представлена серия срезов здорового мозга, развернутого передней поверхностью вверх. Аксоны окрашены в соответствии с ориентацией: волокна, идущие слева направо, обозначены красным, идущие спереди назад — синим, а идущие сверху вниз — зеленым.

Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) - это MP-метод, основанный на использовании сигнала протонов для определения концентрации метаболитов в тканях мозга, например N-ацетил-аспартата. Метод особенно подходит для обнаружения сохраняющихся нарушений метаболизма мозга при таких состояниях, как сотрясение мозга.

а) Вопросы для контроля и закрепления изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Основные методы визуализации внутренних структур мозга — это _____ и _____ .
2. Диффузионная спектральная томография позволяет выявить _____ , а магнитно-резонансная томография позволяет определить _____ .
3. Помимо визуализации областей мозга с разной плотностью КТ и МРТ можно использовать для оценки _____ .
4. Коротко опишите компьютерную томографию (КТ) как метод нейровизуализации.

б) Ответы на контрольные вопросы:
1. В любом порядке: компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ).
2. Аномалии нервных путей, изменения нервных волокон; концентрацию метаболитов в тканях головного мозга.
3. Повреждений и поражений мозга.
4. КТ позволяет получить серию рентгеновских изображений одного и того же объекта в разных проекциях, а затем построить трехмерное изображение головного мозга с помощью компьютерных и математических методов.

Видео различий КТ и МРТ, показаний и прототивопоказаний к ним

- Читать далее "Методы функциональной нейровизуализации головного мозга"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 23.8.2023