Возможности магнитно-резонансной спектроскопии по водороду в характеристике опухолей головного мозга

Актуальность проблемы.

Диагностика опухолей головного мозга, представляет значительные трудности в связи с многообразием нозологических форм, клиническая симптоматика которых весьма сходна и неспецифична, особенно в начальных стадиях развития опухолевого процесса (Корниенко В.Н., 1993; Тютин Л. А., 1996; Коновалов А. Н., 1997; Трофимова Т. Н., 1998; Рамешвили Т. Е., 2002).

Наиболее частыми опухолями головного мозга у взрослых являются глиомы (Wrensch М., et al., 2000). Хотя встречаемость их и низка по отношению к другим злокачественным заболеваниям, смертность от них высокая (Jemal A. et al., 2003).

За последнее время лучевая диагностика опухолей головного мозга шагнула вперед благодаря внедрению в клиническую практику таких методов морфологической визуализации, как компьютерная и магнитно-резонансная томография (Тютин JI.A., 1996; Пронин И. Н., 1996, 1998; Коновалов А. Н., 1997; Трофимова Т. Н. 1998; Труфанов Г. Е., 1999; Дергунова Н. И., 2004). Однако указанные методы исследования, несмотря на их большие диагностические возможности, как правило, не позволяют получить объективную информацию о биологических особенностях новообразований, в частности о степени злокачественности опухолей и особенностях их метаболизма (Пронин И.Н., 1998; Kleihues Р., 2000).

Разработка и внедрение в клиническую практику методов ядерной медицины, таких как однофотонная эмиссионная компьютерная и позитронно-эмиссионная (двухфотонная) томография явилась значительным шагом в этом направлении. Они позволили визуализировать функциональные процессы, протекающие в нормальных условиях и при возникновении неопластической патологии, проводить своего рода неинвазивную биопсию, что в значительной мере приблизило лучевых диагностов к гистологическому заключению (Тютин JI.А.-1996, Костеников Н. А., 2004; Бойков И. В., 2005).

По мнению ряда авторов (Тютин Л.А., 1999; Ринк П. А., 2003) за последние годы ведущим методом неинвазивной лучевой диагностики опухолей головного мозга является магнитно-резонансная томография. С момента своего возникновения до настоящего времени этот метод качественно изменился и продолжает постоянно развиваться и совершенствоваться.

Появление MP-томографов с высокой напряженностью магнитного поля и градиентов большей силы, совершенствование программного обеспечения, применение сверхбыстрых последовательностей и поверхностных радиочастотных катушек позволило не только сократить время исследования, но и принципиально улучшить качество получаемых изображений (Stark D., Bradleu W., 1992; Vion-Dury J., Salvan A.M., Cozzone P.J., 1999).

Имеющиеся в отечественной и зарубежной литературе сведения по применению МР-спектроскопии в нейровизуализации малочисленны, причём применяется в основном одновоксельная методика. В этих работах на небольшом клиническом материале рассматриваются лишь отдельные вопросы применения MP-спектроскопии в диагностике неопухолевых и опухолевых заболеваний головного мозга (Krouwer H.G.J., Kim Т.A., Prost R.W., 1998). Многовоксельная методика MP-спектроскопии широко применяется в ФГУ ЦНИРРИ Росздрава при диагностике демиелинизирующих заболеваний головного мозга, в частности рассеянного склероза (Поздняков А.В., 2001).

В литературе недостаточно сведений о результатах МР-спектроскопии при диагностике первичных опухолей головного мозга, в том числе в определении степени злокачественности глиальных опухолей. Нет единого мнения о методике и оценке результатов обследования больных с применением МР-спектроскопии по водороду. Поэтому актуальной является диагностика глиальных опухолей головного мозга, а также изучение их степени злокачественности и дифференциальная диагностика с другими опухолями головного мозга с применением МР-спектроскопии по водороду.

MP-спектроскопия по водороду — это неинвазивная методика исследования, основанная на свойстве ядер атомов водорода индуцировать в магнитных полях высокой напряженности, после воздействия радиочастотного импульса, MP-сигналы, последующий анализ которых позволяет судить о наличии и концентрации в тканях различных метаболитов, а также об их изменениях при различных патологических состояниях (Поздняков А.В., 2001; Неронов Ю. И., Гарайбех 3., 2003; Ринк П. А., 2003; Vion-Dury J., 1999; Vikhoff-BaazB., 2001).

Однако, в настоящее время MP-спектроскопия по водороду не нашла широкого применения в клинической практике. Этому в первую очередь препятствуют проблемы технического и методического характера (Stark D.D. et al., 1992). Для проведения MP-спектроскопии необходимы дорогостоящие аппараты с высокой напряженностью (от 1,5 Тесла и более) и однородностью магнитного поля. Методика MP-спектроскопического исследования до настоящего времени не унифицирована. Крайне противоречиво освещен вопрос о влиянии на конечные результаты исследований времен эхо, особенно средних ТЕ (135 мс). До настоящего времени не полностью изучены сопоставления данных MP-спектроскопии по водороду с гистологическим типом опухоли. Также не оценены возможности метаболического картирования опухолей головного мозга и информативность MP-спектроскопии по водороду в определении степени злокачественности опухолей нейроэктодермальной ткани. Значительной противоречивостью характеризуются также сведения о роли и месте MP-спектроскопии в комплексе лучевых исследований больных нейро-онкологического профиля в предоперационном периоде. Благодаря появлению многовоксельной методики, появилась возможность существенно повысить диагностическую эффективность MP-спектроскопии при опухолях головного мозга. Однако, эти исследования являются только первыми шагами в использовании новой методики при решении конкретных клинических задач.

Таким образом, все вышеизложенное обусловливает высокую актуальность целенаправленного изучения диагностических возможностей МР-спектроскопии по водороду в нейроонкологии. Требуют разработки и уточнения вопросы методики, семиотики и применения MP-спектроскопии по водороду у больных опухолями головного мозга в предоперационной диагностике, сопоставления данных MP-спектроскопии с гистологическим типом опухоли и степенью злокачественности глиальных опухолей.

Целью настоящего исследования явилось совершенствование лучевой диагностики опухолей головного мозга на основе применения МР-спектроскопии по водороду путём неинвазивного прижизненного изучения метаболизма головного мозга на биохимическом уровне и определения различий в биохимическом составе опухолей головного мозга (менингососуди-стого, нейроэктодермального и метастатического происхождения).

В соответствии с целью исследования были определены основные задачи:

1. Усовершенствовать методику MP-спектроскопии по водороду на высо-копольном магнитно-резонансном томографе у больных опухолями головного мозга.

2. Определить роль и место MP-спектроскопии по водороду в комплексе лучевых исследований больных нейроонкологического профиля в предоперационном периоде.

3. Уточнить характеристики MP-спектра и типичные соотношения концентраций метаболитов при различных опухолях головного мозга.

4. Провести сопоставление данных MP-спектроскопии по водороду и традиционной МРТ с гистологическим типом опухолей.

5. Оценить информативность MP-спектроскопии по водороду в определении степени анаплазии опухолей нейроэктодермальной ткани.

6. Построить математические модели дифференциальной диагностики различных типов опухолей головного мозга и диагностики степени анаплазии глиальных опухолей.

Научная новизна.

Работа является обобщающим научным трудом, посвященным изучению диагностических возможностей MP-спектроскопии по водороду при опухолях головного мозга.

Усовершенствована методика проведения магнитно-резонансной спектроскопии по водороду больным опухолями головного мозга, позволяющая за относительно непродолжительный отрезок времени (7−8 минут) получить MP-спектры с высоким соотношением «сигнал/шум» .

Установлено, что показанием к проведению исследования у больных опухолями головного мозга являются трудности дифференциальной диагностики рассматриваемых нозологических форм по данным традиционной МРТ.

Предложена методика вычисления относительных единиц долевого содержания метаболитов в общем количестве определяемых соединений, позволяющая без сложных расчетов абсолютных значений содержания метаболитов выявлять характерные биохимические изменения в различных опухолях головного мозга.

По данным MP-спектроскопии по водороду выявлены характерные изменения содержания метаболитов и их соотношений при опухолях глиального, менингососудистого ряда и при метастатических опухолях головного мозга.

Построены математические модели дифференциальной диагностики опухолей головного мозга, позволяющие в полуавтоматическом режиме с вероятностью 90,5% высказаться о характере имеющейся патологии и с вероятностью 91,4% определить степень анаплазии глиальных опухолей.

Практическая значимость.

Изучены возможности MP-спектроскопии по водороду на аппарате с напряженностью внешнего магнитного поля 1,5 Тл в диагностике опухолей головного мозга.

——————————————-Разработана оптимальная методика и определены основные показания к проведению MP-спектроскопии по водороду при опухолях головного мозга.

Предложена методика расчета относительных долей метаболитов в общем количестве определяемых химических соединений, позволяющая оценивать изменения содержания метаболитов без сложных вычислений абсолютных значений содержания метаболитов.

Уточнены содержания основных метаболитов и значения их соотношений по данным MP-спектроскопии по водороду при различных типах опухолей головного мозга.

Проведено сопоставление данных MP-спектроскопии с результатами гистологического анализа и установлены статистически достоверные различия изучаемых показателей в различных группах пациентов опухолями головного мозга.

На основании полученных данных построена математическая модель дифференциальной диагностики опухолей головного мозга. i.

Разработаны методические рекомендации по применению МР-спектроскопии для врачей — нейрорентгенологов и нейрохирургов, проводящих обследование и лечение больных опухолями головного мозга.

Использование данных MP-спектроскопии позволяет дополнить результаты традиционной МРТ принципиально новой информацией, отражающей биохимические процессы, происходящие в опухолевой ткани.

Положения, выносимые на защиту:

1. MP-спектроскопия по водороду является дополнительной, неинва-зивной, высокоинформативной методикой в диагностике опухолей головного мозга, позволяющей на биохимическом уровне выявлять изменения в обменных процессах.

2. Применение оптимизированной методики MP-спектроскопии по водороду позволяет добиться получения качественных MP-спектров с четко локализованными на них пиками пяти метаболитов.

3. MP-спектроскопия по водороду — в сочетании с традиционной МРтомографией позволяет с большой вероятностью предположить принадлежность к тому или иному гистологическому типу опухоли головного мозга, а также уточнить степень их анаплазии.

4. Результаты MP-спектроскопии по водороду в сочетании с традиционной MP-томографией повышают эффективность диагностики опухолей головного мозга и позволяют оптимизировать их лечение.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на: конференции, посвященной 60-летию кафедры рентгенологии и радиологии СПбГМУ им. И. П. Павлова (Санкт-Петербург, 2005), научно-практических конференциях на кафедре рентгенологии и радиологии ВМедА (2006), XI съезде неврологов (Ярославль, 2006), заседании Санкт-Петербургского радиологического общества (Санкт-Петербург, 2006), VIII съезде нейрохирургов России (Москва, 2006), Невском радиологическом форуме (Санкт-Петербург, 2007).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Результаты настоящей работы используются в практической деятельности отделений магнитно-резонансной томографии кафедры рентгенологии и радиологии, кафедрах нейрохирургии и нервных болезней Военно-медицинской академии.

Объём и структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 206 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 66 отечественных и 131 иностранных авторов. Работа содержит 41 таблицу, 59 рисунков.

182 ВЫВОДЫ.

1. Магнитно-резонансная спектроскопия по водороду является дополнительной и уточняющей методикой, позволяющей неинвазивно изучать изменения метаболизма головного мозга на биохимическом уровне. Использование оптимизированной методики исследования при опухолях головного мозга на аппарате с напряженностью магнитного поля 1,5 Тл позволяет визуализировать 5 пиков метаболитов, каждый из которых имеет четкую локализацию на оси химического сдвига.

2. Показаниями к проведению магнитно-резонансной спектроскопии являются сложные диагностические ситуации, при которых выявляемая МР-картина свойственна нескольким типам опухолей или не соответствует характеру и выраженности клинической симптоматики, а также уточнение степени анаплазии глиальных опухолей.

3. При глиальных опухолях головного мозга по данным магнитно-резонансной спектроскопии по водороду определяется снижение доли N-ацетиласпартата, увеличение доли холина и лактата относительно общего количества определяемых метаболитов по сравнению с данными от неизмененного вещества головного мозга контралатеральной стороны. Повышение соотношений Cho/Cr и Lac/Cr прямо пропорционально степени анаплазии опухоли. Математическая модель определения степени анаплазии глиальных опухолей включает две переменные: соотношения Cho/Cr и Lac/Cr. Общая чувствительность полученной модели составляет — 91,4%.

4. При опухолях головного мозга менингососудистого ряда определяется увеличение доли холина, минимальные значения доли N-ацетиласпартата, появления метаболита аланина по сравнению с данными от неизмененного вещества головного мозга контралатеральной стороны. Статистически же достоверных отличий между доброкачественными и злокачественными опухолями менингососудистого ряда не получено.

5. При метастатических опухолях головного мозга определяется увеличение доли холина, минимальные значения доли N-ацетиласпартата и креатина по сравнению с данными от неизмененного вещества головного мозга контралатеральной стороны. Достоверно значимых различий между метастатическими опухолями различного происхождения также не получено.

6. Чувствительность полученной математической модели дифференциальной диагностики опухолей головного мозга составляет 90,5%, специфичность -98,9% и диагностическая эффективность (безошибочность) — 95,4%.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Магнитно-резонансную спектроскопию при опухолях головного мозга необходимо выполнять после проведения традиционной МРТ, в сомнительных диагностических ситуациях, при которых выявляемая MP-картина не соответствует характеру и выраженности клинической симптоматики, а также для уточнения степени анаплазии глиальных опухолей.

2. При локализации опухолей головного мозга в задней черепной ямке, в базальных отделов височных долей и вблизи артефактов восприимчивости целесообразно выполнять одновоксельную спектроскопию, в остальных случаях многовоксельную спектроскопию.

3. При проведении одновоксельной МР-спектроскопии по водороду больным опухолями головного мозга оптимальными условиями сканирования являются: время-эхо (ТЕ) — 135 мсвремя повторения (TR) — 1500 мсразмер вокселя — 8−10 см3- количество сборов данных — 256 разобщее время сканирования (включая шиммирование) 5−6 мин.

4. При проведении многовоксельной МР-спектроскопии по водороду больным опухолями головного мозга оптимальными условиями сканирования являются: время-эхо (ТЕ) — 135 мсвремя повторения (TR) — 1500 мсразмер вокселя — 1,3−1,5 см3- количество вокселей -48−64- количество сборов данных — 4 разаобщее время сканирования (включая шиммирование) 9−10 мин.

5. При изучении состояния метаболизма в опухолевой ткани с неизмененным веществом головного мозга контралатеральной стороны, а также для сравнения результатов МР-спектроскопии у различных пациентов целесообразно производить расчет относительных долей каждого соединения в общем количестве определяемых метаболитов.

6. Для получения стабильных результатов, а также для снижения эффектов искажения при непроизвольных движениях и от артефактов восприимчивости необходимо учитывать и усреднять данные вокселей, спектры которых оказались качественными.