Магнитно резонансная спектрометрия. Лучи магнитно-резонансная спектроскопия. История и этимология
Магнитно-резонансная спектроскопия (MP-спектроскопия) позволяет неинвазивно получить информацию о метаболизме мозга. Протонная 1H-МР-спектроскопия основана на «химическом сдвиге» - изменении резонансной частоты протонов, входящих в состав различных химических соединений. Этот термин ввел N. Ramsey в 1951 г., чтобы обозначить различия между частотами отдельных спектральных пиков. Единица измерения «химического сдвига» - миллионная доля (ррт). Приводим основные метаболиты и соответствующие им значения химического сдвига, пики которых определяются in vivo в протонном МР-спектре:
- NAA - N-ацетиласпартат (2,0 ррт);
- Cho - холин (3,2 ррт);
- Сr - креатин (3,03 и 3,94 ррт);
- ml - миоинозитол (3,56 ррт);
- Glx - глутамат и глутамин (2,1-2,5 ррт);
- Lac - лактат (1,32 ррт);
- Lip - липидный комплекс (0,8-1,2 ррт).
В настоящее время в протонной MP-спектроскопии используют два основных метода - одновоксельную и мультивоксельную (Chemical shift imaging) MP-спектроскопию - единовременное определение спектров от нескольких участков головного мозга. В практику сейчас стала также входить мультиядерная MP-спектроскопия на основе МР-сигнала ядер фосфора, углерода и некоторых других соединений.
При одновоксельной 1H-МР-спектроскопии для анализа выбирают только один участок (воксел) мозга. Анализируя состав частот в регистрируемом от этого воксела спектра, получают распределение определенных метаболитов по шкале химического сдвига (ррт). Соотношение между пиками метаболитов в спектре, уменьшение или увеличение высоты отдельных пиков спектра позволяют неинвазивно оценивать биохимические процессы, происходящие в тканях.
При мультивоксельной MP-спектроскопии получают MP-спектры для нескольких вокселов сразу, и можно сравнить спектры отдельных участков в зоне исследования. Обработка данных мультивоксельной MP-спектроскопии даёт возможность построить параметрическую карту среза, на которой концентрация определённого метаболита отмечена цветом, и визуализировать распределение метаболитов в срезе, т.е. получить изображение, взвешенное по химическому сдвигу.
Клиническое применение МР-спектроскопии. MP-спектроскопию в настоящее время довольно широко используют для оценки различных объёмных образований головного мозга. Данные MP-спектроскопии не позволяют с уверенностью предсказать гистологический тип новообразования, тем не менее большинство исследователей сходятся во мнении, что опухолевые процессы в целом характеризуются низким соотношением NAA/Cr, увеличением соотношения Cho/Cr и, в некоторых случаях, появлением пика лактата. В большинстве МР-исследований протонную спектроскопию применяли в дифференциальной диагностике астроцитом, эпендимом и примитивных нейроэпителиальных опухолей, предположительно определяя тип опухолевой ткани.
В клинической практике важно использовать MP-спектроскопию в послеоперационном периоде для диагностики продолженного роста новообразования, рецидива опухоли либо лучевого некроза. В сложных случаях 1Н-МР-спектроскопия становится полезным дополнительным методом в дифференциальной диагностике наряду с получением перфузионно-взвешенных изображений. В спектре лучевого некроза характерный признак - наличие так называемого мёртвого пика, широкого лактат-липидного комплекса в диапазоне 0,5-1,8 ррт на фоне полной редукции пиков остальных метаболитов.
Следующий аспект использования МР-спектроскопии - разграничение впервые выявленных первичных и вторичных поражений, дифференцировка их с инфекционными и демиелинизующими процессами. Наиболее показательны результаты диагностики абсцессов головного мозга на основе применения диффузионно-взвешенных изображений. В спектре абсцесса на фоне отсутствия пиков основных метаболитов отмечено появление пика липид-лактатного комплекса и пиков, специфичных для содержимого абсцесса, таких как ацетат и сукцинат (продукты анаэробного гликолиза бактерий), аминокислоты валин и лейцин (результат протеолиза).
В литературе также очень широко исследуют информативность МР-спектроскопии при эпилепсии, при оценке метаболических нарушений и дегенеративных поражений белого вещества головного мозга у детей, при черепно-мозговой травме, ишемии мозга и других заболеваниях.
Рубрика: Диагностика в Германии
Это метод исследования, базирующийся на принципе классического магнитно-ядерного резонанса, но имеющий некоторые отличия. Если в магнитно-резонансных приборах используется свойство частиц поглощать и излучать электромагнитные волны, то целью спектроскопии является определение наличия и концентрации отдельных химических веществ . Метод магнитно-резонансной спектроскопии позволяет проводить измерения в живых тканях. Так, с помощью ядер водорода (Н 1) возможно определять количество N-ацетиласпартата в нейронах головного мозга или количество холина в клеточных мембранах. Молекулы фосфора Р 31 применяются, главным образом для изучения обмена веществ на клеточном уровне, а молекулы углерода С 13 - для отслеживания метаболизма глюкозы.
Первая установка для МР-спектроскопии сконструирована австрийским профессором Эвальдом Мозером с сотрудниками в 1990 году. В 1996 году выполнены первые исследования метаболизма глюкозы и жирных кислот в головном мозге, скелетных мышцах и печени здоровых испытуемых, а также пациентов с диабетом 1 и 2 типа. К настоящему времени также выполнены клинические исследования МР-спектроскопии сердца и предстательной железы .
В ПОМОЩЬ ОНКОЛОГУ
В последние годы метод получил широкое распространение в онкологии , так как позволяет определить накопление патологических веществ при различных онкологических заболеваниях.
Если ранее было осуществимо лишь исследование крупных органов и значительных изменений, то сейчас стало возможным исследование такого небольшого органа, как предстательная железа с разрешением до <0,5 см 3 . В здоровой ткани предстательной железы определяется в больших количествах цитрат, или лимонная кислота. При злокачественных новообразованиях количество цитрата уменьшается. Так как общее число клеток при онкологических заболеваниях увеличивается, то возрастает и количество холина, составной части клеточной оболочки. Концентрацию двух этих веществ как раз и позволяет измерить МР спектроскопия. Для получения трехмерного изображения и точной локализации опухоли весь орган делится на небольшие участки менее 0,5 см 3 , в каждом из которых определяется концентрация указанных веществ.
На рисунке показана разница в содержании различных метаболитов в нормальной ткани предстательной железы (А) и в ткани карциномы предстательной железы (Б). При этом Cholin - холин, Kreatin - креатин, а Citrat - cоли лимонной кислоты. В злокачественной ткани преобладает повышенная концентрация холина, но снижена концентрация цитрата. (Источник: Dr. Scheidler. Patienteninfo Prostata-Spektroskopie. Radiologische Zentrum München-Pasing, 2010 ).
Комбинация МРТ (определение морфологической структуры) с МР спектроскопией (выявление и определение концентрации химических соединений) позволяет охарактеризовать и спланировать лечение рака предстательной железы.
ПРИ РАКЕ ПРОСТАТЫ
Для такого исследования требуется МРТ-установка с высоким разрешением, а также две передающие капсулы: одна располагается поверхностно на передней брюшной стенке в области предстательной железы, а другая - ректально. Для обработки сигнала необходим также специальный прибор и программное обеспечение. Для получения достоверных результатов врачу требуется достаточный опыт работы с оборудованием. Только в 2010 году была завершена экспериментальная фаза применения МР- спектроскопии для диагностики рака предстательной железы. В Германии такое обследование можно пройти, например, в радиологическом центре Мюнхен-Пазинг. Врачами этого центра с 1993 года обследовано более 7000 пациентов. В сентябре 2003 года здесь был проведен первый в Германии курс для врачей по диагностике рака предстательной железы с помощью МР-спектроскопии.
В настоящее время «золотым стандартом» ранней диагностики рака предстательной железы является определение опухолевого маркера, простатспецифического антигена (ПСА). При повышении ПСА выполняется дальнейшая диагностика - поиск злокачественного новообразования или доброкачественных изменений (гиперплазии). Основным недостатком метода является низкая специфичность, то есть повышение ПСА и при других, например, воспалительных заболеваниях.
В случае повышения ПСА на помощь как раз может прийти такой метод как МР-спектроскопия. Особенно МР-спектроскопия показана пациентам с постоянно повышенным уровнем ПСА, но неподтвержденными с помощью гистологического исследования злокачественными изменениями предстательной железы.
ПРОЦЕДУРА
Как же выполняется исследование предстательной железы? Самым приятным фактом является отсутствие специальной подготовки пациента. Лишь незадолго до процедуры рекомендуется естественное опорожнение кишечника и мочевого пузыря. Контрастное средство в исследовании не применяется.
Противопоказанием к исследованию является наличие искусственного водителя ритма. При наличии искусственных клапанов сердца или протезов внутреннего уха необходимо обязательно информировать врача, имея при себе описание (аннотацию или паспорт) данных протезов. Исследование проводится в закрытом помещении, в специальной продолговатой кабине. Если имеет место боязнь закрытых пространств - клаустрофобия, то перед исследованием пациент получает успокаивающее средство. Исследование длится около часа, в положении лежа на спине.
Метод МР-спектроскопии является очень многообещающим. В комбинации с обычной магнитно-резонансной томографией правильный диагноз устанавливается в 80-85% случаев. Ошибки происходят в тех случаях, когда опухолевая ткань значительно не отличается от нормальной по степени зрелости, и количество холина в ней приближено к нормальной ткани. Редко наблюдаются случаи, когда клетки опухоли рассеяны по всей предстательной железе, а не сконцентрированы на определенном участке, тогда в диагностике поможет исследование ткани под микроскопом.
В СПЕКТРЕ НАУКИ
В Германии признанным международным центром МР-спектроскопии является Франкфурт-на-Майне, где располагаются Центр биомолекулярной МР-спектроскопии, Институт Макса Планка и исследовательские группы Университета Гете. С помощью МР-спектроскопии здесь изучаются внутриклеточные белки, их изменения под воздействием различных медикаментов и температурных колебаний. В берлинской клинике Шарите и Рейнском университете Фридриха Вильгельма в Бонне активно изучается применение МР- спектроскопии для диагностики рассеянного склероза. Показано, что в неповрежденных клетках головного мозга содержится значительное количество N-ацетил-аспартата, снижение которого может указывать на развитие заболевания.
Др. София Ротэрмель
| Остеоденситометрия: прочны ли ваши кости? | Точный диагноз благодаря точной локализации опухоли и ее метастазов: новая диагностика с помощью высокочувствительного онкомаркера при раке простаты. | Компьютерная томография в помощь ортопеду | |
|
Остеоденситометрия, или просто денситометрия - это несложный и безболезненный метод измерения плотности костной ткани. Конечно, необязательно это делать каждому, пусть и в целях профилактики... |
Людгер А., в профилактических целях регулярно обследовался по подозрению на рак простаты. Однако три биопсии не подтвердили наличие опухоли. Для окончательной ясности 75-летний пациент... |
все это и многое другое вы найдете на страницах журнала в разделе "Информация для врачей". |
Общественный транспорт Германии
|
Развитие нейрорентгенологии идёт по пути "от изучения анатомии к изучению функций головного мозга". Сегодня МРТ позволяет не только дифференцировать типы тканей (кровь, жировую, мышечную ткань, белое и серое вещество мозга и т.д.), но и оценивать скорость и направление движения молекул воды; различать ткани, отличающиеся по транспорту молекул и ионов (К+, Na+) ; по рН среды и активности фагоцитоза. По количеству кислорода в крови МРТ позволяет выявить области мозга с повышенной активностью, обнаружить участки нарушения гематоэнцефалического барьера, количественно оценить проницаемость тканей, состояние рецепторов, гормональную активность, наличие конкретного антигена или белковых структур в тканях.
Диффузионную МРТ, МР трактографию, перфузионную, функциональную МРТ и MP-спектроскопию относят к методам молекулярной визуализации.
MP-спектроскопия - это неинвазивная методика, основанная на свойстве ядер атомов водорода индуцировать МР сигналы в магнитных полях высокой напряженности, после воздействия радиочастотного импульса. Последующий анализ этих данных позволяет судить о наличии и концентрации в тканях различных метаболитов, а также об их изменениях при различных патологических состояниях.
На сегодняшний день этот метод является единственным способом неинвазивно провести исследование обмена веществ (метаболизма) внутренних органов, в частности головного мозга. Нарушения этих процессов происходят еще до клинических проявлений болезни, поэтому магнитно-резонансная спектроскопия позволяет диагностировать заболевания на самых ранних этапах развития.
MP-спектроскопию в настоящее время довольно широко используют для оценки различных объёмных образований головного мозга. Данные MP-спектроскопии не позволяют с уверенностью предсказать гистологический тип новообразования, тем не менее, опухолевые процессы в целом характеризуются низким соотношением NAA/Cr, увеличением соотношения Cho/Cr и, в некоторых случаях, появлением пика лактата. В большинстве исследований МР- спектроскопию применяли в дифференциальной диагностике астроцитом, эпендимом и примитивных нейроэпителиальных опухолей, предположительно определяя тип опухолевой ткани.
В медицинской практике важно использовать MP-спектроскопию в послеоперационном периоде для диагностики продолженного роста новообразования, рецидива опухоли либо лучевого некроза. В сложных случаях МР-спектроскопия становится полезным дополнительным методом в дифференциальной диагностике наряду с данными перфузионно-взвешенных изображений. Характерным признаком некроза служит наличие так называемого мёртвого пика, широкого лактат-липидного комплекса на фоне полной редукции пиков остальных метаболитов.
Очень широко используют информативность МР-спектроскопии в дифференциальной диагностике первичных опухолей мозга и метастазов в головной мозг, в дифдиагностике этих поражений с инфекционными и демиелинизирующими процессами. Также МР спектроскопия становится все более востребованной при эпилепсии, при оценке метаболических нарушений и дегенеративных поражений белого вещества головного мозга у детей, при черепно-мозговой травме, ишемии мозга и других заболеваниях.
Протонная магнитно-резонансная спектроскопия – это развивающийся метод, способный выявлять заболевания головного мозга, сердечной мышцы посредством регистрации метаболического накопления глутамата, ацетилхолина, креатинина, ацетиласпартата и ряда других соединений. Сравнение активности веществ в норме и при патологии позволяет установить ранний диагноз, динамические оценить качество лечения через определенные временные промежутки.
Процедура МРТ головного мозга с МР спектроскопией – что это такое
Способ позволяет изучить функциональность головного мозга. Другие МР процедуры показывают анатомию органа. Сочетание функциональной и морфологической информации повышает информативность диагностики.
МР-спектроскопия позволяет изучить скорость движения молекул веществ, проводить дифференцировку разных тканей – серого и белого вещества, мышц, жира, крови. Регистрация транспорта ионов калия, натрия через мембрану определяет активность фагоцитоза – уничтожения защитными клетками чужеродных агентов. Сочатение с МРТ трактографией позволяет верифицировать состояние внутримозговых желудочков, перивентрикулярных пространств.
Отслеживание накопления кислорода позволяет зарегистрировать участки повышенной возбудимости, выявить места разрушения гематоэнцефалического барьера, анализировать гормональную активность, проницаемость тканей.
Методы молекулярной нейровизуализации только развиваются – трактография, перфузионная диффузионная МРТ и МР-спектроскопия. Применяются обычно после нативной магнитно-резонансной томографии головного мозга. Только онкологи пользуются нейровизуализационными методами для оценки изменений мозговой ткани во время лечения опухолей.
Как делают протонную МР-спектроскопию
Неинвазивная МРТ головного мозга с МР спектроскопией разработана в 1951 году. Ученые использовали метод для регистрации измененной частоты протонов разных веществ под влиянием сильного магнитного поля. Полувека наблюдения за атомами протонов ацетиласпартата, холина, миоинозитола, лактата, жировых соединений, глутамина позволило использовать информацию в медицине для выявления внутримозговых изменений, патологии сердечной мышцы.
Информативность имеют физиологические и патологические химические сдвиги соединений. Для примера, приводим протонный МР-спектр веществ в норме:
- Холин – 3,2 ppm;
- Ацетиласпартат – 2 ppm;
- Миоинозитол – 3,56 ppm;
- Жировые соединения – 1-1,2 ppm;
- Глутамат – 2,2-2,5 ppm;
- Креатинин – 3-3,9 ppm.
Инновационные разработки помогли совершенствовать метод. Существует 3 разновидности магнитно-резонансной спектроскопии:
- Одновоксельная;
- Мультивоксельная;
- Мультиядерная.
Разделение основано на регистрации протонных спектров одного или нескольких участков мозговой паренхимы одновременно. При одновоксельной МР-спектроскопии изучается единичный участок. Изучение спектров химического сдвига метаболитов заданной зоны помогает оценить биохимические процессы.
Мультивоксельный тип предполагает спектроскопический анализ разных сегментов. Подход применяется для оценки функциональности разных центров – чувствительных, двигательных, речи, слуха, зрения.
Мультиядерная МР спектроскопия оценивает химические сдвиги протонов углерода, фосфора, ряда других химических соединений одновременно. Распределение пиков повышает информативность исследования.
Информация анализируется путем просмотра параметрической карты среза. Каждый отдельный участок имеет несколько анатомических образований. Отслеживание биохимических спектров не позволяет дифференцировать ткань, но знание патофизиологии помогает предположить локализацию патологии.
Основные разработки МР-спектроскопии проводятся в области онкологии. С помощью процедуры нельзя предсказать тип новообразования. Наблюдения показали измененное соотношение метаболизма холина-креатинина, N-ацетиласпартата и креатина у большинства злокачественных образований. Некоторые раки сопровождаются повышением пика лактата.
Что показывает МР спектроскопия
Опробовано спектроскопическое обследование при верификации нейроэпителиальных опухолей, эпендимом, астроцитом. Метаболические сдвиги четко указывают тип новообразования. Онкологи применяют МР-спектроскопию для диагностики наличия/отсутствия клеток образования после операционного удаления очага. Обследования верифицирует признаки гибели злокачественной ткани после химиотерапии, лучевого облучения.
Динамический онкологический контроль лучше делать двумя методами – перфузионно-взвешенная МРТ в сочетании с 1 H-МР-спектроскопией. Подход выявляет участок некроза посредством обнаружения широкого протонного пика лактат-липидных соединений в пределах от 0,5 до 1,8 ппм. Одновременно прослеживается редукция сдвига других веществ, «мертвый пик».
Очередная область использования спектроскопии – дифференциальная диагностика демиелинизирующих процессов (рассеянный склероз), инфекций, травматических повреждений. Абсцессы мозга верифицируются по обнаружению спектров лейцина, валина, сукцината, липид-лактатного комплекса. Литературные источники приводят информацию о возможности использования обследования для оценки метаболизма при черепно-мозговых травмах, эпилепсии, инсультах.
Контрастное МРТ головного мозга показывает состояние сосудов, верифицирует злокачественные и доброкачественные новообразования вначале развития.
Регистрация сдвигов валина, лейцина свидетельствует о распаде тканей при болезнях, бактериальных инфекциях. Продуктом бактериального гликолиза является накопление сукцината, ацетата. Изменение МР-спектров веществ позволяет предположить характер нозологии (органический, инфекционный, воспалительный).
Какие болезни выявляет протонная спектроскопия:
- Глиома изменяет пики распределения липидов, лактата, холина, креатинина, N-ацетиласпартата;
- Неглиальные новообразования сдвигают холин, ацетиласпартат;
- Инфаркты, инсульты регистрируются по повышению лактата, уменьшению других метаболитов;
- Инфекционные процессы приводят к повышению ацетата, аланина, лактата. Токсоплазмоз характеризуется снижением холина;
- Болезни белого вещества сопровождаются понижением миоинозитола, увеличением N-ацетиласпартата;
- Диагностика печеночной лейкоэнцефалопатии базируется на изучении увеличения глутамина, регистрации сниженного миоинозитола;
- Астроцитома разной степени злокачественности с локализацией в лобной доле при нативном МРТ характеризуется сигналом высокой силы. С помощью 2D мультивоксельной спектроскопии удается выявить повышение индекса холин/N-ацетиласпартата более единицы.
Цветное картирование дополняет информативность контрастной, нативной МР-томографии. Исследование имеет блестящие перспективы медицинского развития.
МР-трактография на сегодняшний день является одним из новейших методов, которая позволяет дать возможность целостной диагностики и определить направление проводящих каналов головного мозга. Применение данного метода диагностики позволяет оценить характер распространения новообразования (опухоли). Также данный метод применяется как диагностика после инсульта, для определения степени повреждения нервных волокон.
В отличии МРТ и КТ, трактография в данный момент находится на стадии исследования и доработки. Однако на данный момент существует еще более усовершенствованная трактография на 257 проекций против стандартных 51.
Нейровизуализация головного мозга включает в себя ряд диагностических методов, которые позволяют визуализировать мозговую структуру, функции и биохимические показатели мозга.
На сегодня разделяют 2 глобальные категории:
- Структурная , которая позволяет описать саму структура мозга и непосредственно диагноз внутричерепных заболеваний, например опухоль и черепно-мозговая травма.
- Функциональная нейровизуализация, которая используется для диагностики метаболических расстройства на начальной стадии их развития, например Болезнь Альцгеймера, а также широко применяется в неврологии и когнитивных расстройствах.
ОФЭКТ головного мозга является диагностическим методом ядерной медицины, которая позволяет специалиста с точность увидеть функции организма, с помощью трехмерных графических изображений. ОФЭКТ наиболее часто применяется для выявления новообразований и исследования сердечно-сосудистой системы.
Однако все же онкология является главной направленностью данного метода диагностики. ОФЭКТ обладает точностью для , а также для определения его стадии прогрессирования.
- Наиболее часто применяется для определения:
- Рака молочной и предстательной железы;
- Рака кости первичного характера;
- Нейроэндокринных опухолей;
- Аденом околощитовидной железы;
- Новообразования в мозге и ;
- Рака печени;
Метод формирует особые 3D изображения, что дает удобную объемную модель диагностируемого органа. Возможность проведения двух сканов в ходе исследования, ОФЭКТ позволяет предоставить картинку высочайшего качества. Поэтому оно играет важнейшую роль визуализированной диагностики воспалений, эмболии легких, инсульта и многих других.
ОФЭКТ обладает всеми преимуществами и является одним из ключевых методов современной диагностики, на сегодняшний день. Главная разница между однофотонной эмиссионной томографией и КТ, это то что ОФЭКТ способна первым распознать какой-либо патологический процесс происходящий в мозге, с помощью радиоактивных молекул и атомов. КТ же обладает только рентгенологическим способом диагностики.
Однако оба исследования дополняют друг друга. Диагностики проводятся последовательно, а затем объединяются вместе в одном аппарате.
Магнитно резонансная венография головного мозга применятся для венозной визуализации и строения венозной системы, а также для определения скорости тока крови и тромбоза вен. В некоторых случаях для уточнения строения венозной системы проводится с использованием контрастного вещества.
Видео
