Мультиспиральные сканеры позволяют одновременно получать 4 изображения («среза») со скоростью до 120 оборотов в минуту. Томограмма получается за несколько секунд.

Методы структурной и функциональной магнитно-резонансной томографии (ядерно-магнитного резонанса): физическая сущность методов, разрешающая способность, типы получаемых данных, ограничения на использование методического и методологического характера.

Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ).
 Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резонансная томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI) — нерентгенологический метод исследования внутренних органов и тканей человека. Здесь не используются Х-лучи, что делает данный метод безопасным для большинства людей.

Питер Мэнсфилд (Англия) и Пол Лотербур (США) (1973)

Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2003 г.

«За изобретение метода магнитно-резонансной томографии»

ЯМР – явление поглощения ядром элемента электромагнитного излучения определенной частоты под действием сильного МП

Техника:.

Технология МРТ достаточно сложна: используется эффект резонансного поглощения атомами электро-магнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Техника основана на использовании парамагнитных свойств тех агентов, которые можно ввести в организм и они вовсе не обладают магнитными свойствами. Но приобреают их, стоит им попасть в магнитное поле. Например, парамагнитные субстанции гемоглобина. ФМРТ измеряет пространственное распределение гемоглобина, отдавшего свой кислород, а точнее отношение деоксигемоглобина к гемоглобину. Когда гемоглобин теряет кислород – он парамагнитен. При активации организма возрастает метаболическая активация мозга. Увеличивается кровоток. Дополнительный приток кислорода к участку мозга приводит к снижению в нем концентрации парамагнитного деоксигемоглобина. Существование многих локусов активации отражается в неравномерном распределении в мозге деоксигемоглобина, что создает неравномерность магнитного поля, которую используют для получения карт локальных активаций. ФМРТ выявляет участки мозга с активно работающими нейронными клетками. Молекулы в организме в магнитном поле разворачиваются согласно его направлению. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. В отличие от компьютерной томографии МРТ позволяет получить изображение патологического процесса в разных плоскостях. Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа (диагностика одного раздела позвоночника занимает 20–30 минут).

Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом «ядерный» в конце 1970-х годов. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул. МРТ получила начало как метод томографического отображения, дающий изображения ЯМР-сигнала из тонких срезов, проходящих через человеческое тело. МРТ развивалась от метода томографического отображения к методу объемного отображения.

Метод особенно эффективен для изучения динамических процессов (например, состояния кровотока и результатов его нарушения) в органах и тканях.

Преимущества магнитно-резонансной томографии.

Список заболеваний, которые можно обнаружить с помощью МРТ, внушителен: воспалительные, дистрофические и опухолевые поражения сосудов и сердца, органов грудной и брюшной полости, поражение лимфатических узлов, паразитарные процессы и другие патологии.

Достоинства:

1.Хорошее пространственное разрешение (3-4 мм)

2.Временное разрешение лучше, чем в ПЭТ (секунды)

3.Возможно усреднение проб, синхронизированных со стимуляцией

4.Метод неинвазивен.

5.Относительно по сравнению с Пэт безвреден.
6. Лучше визуализирует некоторые структуры ГМ и СМ (поэтоум чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований НС, где необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процесса).

o возможность получать изображение в любой плоскости (чаще в горизонтальной, сагиттальной и во фронтальной),

o  возможность исследования обширных анатомических областей и мягких тканей, отсутствие лучевой нагрузки,

o  независимость результатов от опыта специалиста, проводящего исследование.

Недостатки:

1.Высокая стоимость (по сравнению с ЭЭГ) и необходимость обслуживания прибора) и малая доступность самого прибора, поэтому используется только в случае спорного диагноза.

2.Высокая стоимость каждого исследования (по сравнению с ЭЭГ)

3.Временное разрешение хуже, чем в ЭЭГ и МЭГ

4.Непрямое измерение нейрональной активности (измеряется метаболизм)

6. Шум
7. Не стоит подвергать беременных

o большая продолжительность исследования (в результате изображение часто искажается из-за движений больного) и меньшую четкость изображения по сравнению с КТ,

o  возможны незначительные изменения на ЭКГ и нагревание тканей,

o  исследование затруднено у больных с клаустрофобией,

o  МРТ абсолютно противопоказана при наличии гемостатических клипс в полости черепа (если не известно, из какого материала они изготовлены; наличие титановых клипс не является противопоказанием к МРТ), металлических глазных имплантатов и инородных тел глазницы, любых других механических, электрических и магнитных имплантатов (в том числе электрокардиостимулятора, имплантированного стимулятора спинного мозга, кохлеарного имплантата).

Разрешающая способность: ПРС(«воксель») = 9-16 мм² х 5-7 мм = 45-112 мм³

ВРС («временное окно суммирования») = 5 с

Что в реальности отражает воксель томограммы?

Состав усредненного вокселя (55 мм³): 3% - сосуды и 97% - нервная ткань (5.5 х 10⁶ нейронов, 2.2-5.5 х 10¹⁰ синапсов, 22 км дендритов и около 220 км аксонов)

ограничения на использование методического и методологического характера:

o фМРТ и ПЭТ – корреляционные методы, и поэтому полученные с их помощью данные не являются доказательством необходимости / достаточности обнаруженных зон мозговой активности для обеспечения исследуемых (ментальных) психических процессов (гиппокамп активируется в процессе задачи с классическим обусловливанием, но разрушение гиппокампа никак не сказывается на ее реализации)

o Одновременная активация тормозных и возбуждающих входов на нейрон не вызывает реакции клетки, но – т.к. тратится энергия – вызывает фМРТ-сигналы.

o Растормаживание приводит к увеличению реакции при отсутствии изменений в кровотоке.

o Интенсивность кровотока связана не только с доставкой нейронам глюкозы и кислорода, но и с отправлением других функций, не имеющих отношения к информационной активности нейронов

o В сигналах фМРТ отражаются как процессы возбуждения, так и процессы торможения.

o фМРТ обладает заметно меньшей чувствительностью к процессам торможения

o Принципиальные ограничения на интерпретацию данных фМРТ и ПЭТ: В когнитивных нейронауках часто исходят из предположения, что ментальные процессы имеют модульную структуру, которая может быть изучена с помощью фМРТ и/или ПЭТ. Если этопредположение верно, то возникает проблема «корректной рекурсивной декомпозиции»: большие модули разбиваются на все более мелкие, изучаемые методами фМРТ и/или ПЭТ. Однако, если это предположение неверно, то, даже если архитектура мозга является модульной, мы не в состоянии спроецировать отсутствующие «ментальные модули» на структуры головного мозга.

Это не проблема нейровизуализации, но проблема познавательная. При этом иерархические разложения (декомпозиции), отражающие функциональную организацию мозга, очевидным образом возможны применительно к сенсорным и моторным системам (доказано экспериментально).

Методы двух - и однофотонной томографии (ПЭТ и ОФЭКТ): физическая сущность методов, разрешающая способность, типы получаемых данных, ограничения на использование методического и методологического характера.

Позитронно-Эмисионная Томография (ПЭТ) основана на выявлении распределения в мозге различных химических веществ, которые участвуют в метаболизме мозга.

Сигналы ПЭТ отражают нейронную активность, связанную с реализацией функций мозга(включая психические процессы и состояния) следующим образом:

1.Задача/стимул вызывают специфические изменения в активности нейронов.

2. Изменения активности нейронов сопровождаются локальными изменениями в метаболизме.

3. Локальные изменения в метаболизме – через РФП(радифармпрепараты) - отражаются в сигналах ПЭТ.

Явление позитронной эмиссии – исход из ядра позитронов (позитрон противоположен электрону), в которой нарушен баланс между позитроном и электроном.

Эмиссионные изображения показывают распределение радиомаркера внутри тела

В вену или ингаляционно вводятся радифармпрепараты(радиотрейсеры)=биологически активные молекулы, меченные короткоживущими (10-110 мин.) изотопами с позитронным типом распада (кислород ¹⁵О, ¹⁸F, ¹¹С, ¹³N) ( замещение соответствующего элемента на такой изотоп не влияет на химические свойства вещества, но позволяет проследить его движение)

В мозге радиоактивные изотопы излучают позитроны, каждый из которых, пройдя че­рез ткань мозга примерно на 3 мм от локализации изотопа, сталкивается с элек­троном. Столкновение между этими частицами приводит к уничтожению частиц (аннигиляция) и появлению пары гамма-квантов, которые разлетаются от места столкновения в раз­ные стороны теоретически под углом в 180° друг к другу. Голова субъекта помещена в специальную ПЭТ-камеру, в которую в виде круга вмонтированы кристалличе­ские детекторы протонов. Подобное расположение детекторов позволяет фикси­ровать момент одновременного попадания двух «разлетевшихся» от места столк­новения протонов двумя детекторами, отстоящими друг от друга под углом в 180°.

Наиболее часто применяют лиганд F18 — дезоксиглюкозу (ФДГ). ФДГ явля­ется аналогом глюкозы. Области мозга с разной метаболической активностью по­глощают ФДГ соответственно с разной интенсивностью, но не утилизируют ее. Концентрация изотопа F18 в нейронах разных областей увеличивается неравно­мерно, следовательно, и потоки «разлетающихся» протонов на одни детекторы попадают чаще, чем на другие. Информация от детекторов поступает на компью­тер, который создает плоское изображение (срез) мозга на регистрируемом уров­не.

Информацию об метаболической активности накладывают на усредненную модель мозга. Можно совмещать с данными КТ.

ОФЭКТ –однофотонная эмиссионная компьютерная томография

В ОФЭКТ применяются радиофармпрепараты, меченные радиоизотопами, ядра которых при каждом акте радиоактивного распада испускают только один гамма-квант (фотон)

Радионуклиды (технеций, таллий). Иодид натрия (сцинтилл.) с примесью таллия (активатор)

Исследование проводится в сцинциляционной гамма-камере

Сцинтилляторы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения.

Плюсы: даёт отображение процессов в клетках организма на уровне обмена веществ; период полураспада радиоизотопов мал, лучевое облучение чрезвычайно мало и не затрагивает нормальные процессы тела. Это позволяет при необходимости проводить повторные исследования.

Минусы: Очень дорогой метод. Изотопы мало живут (О15 излучает 10-15 минут)

Разрешающая способность: Толщина среза, а также минимальная величина элементарной точки изображения (пиксела) зависят от геометрических размеров и плотности упаковки детекторов ПЭТ-камеры (несколько тысяч).

Максимальное пространственное разрешение достигается при использовании изотопа фтора - F¹⁸

Временной шаг 5 сек.

12.Метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ): физическая сущность методов, разрешающая способность, типы получаемых данных, ограничения на использование методического и методологического характера.
В современных клинических и экспериментальных исследованиях все большее значение приобретают методы, позволяющие визуализировать функционирование мозга. Это достигается путем построения с помощью компьютера «картин» мозга на основе данных о метаболической активности его структур. Одним из наиболее результативных методов в плане пространственного разрешения изображения является позитронно-эмиссионная томография мозга (ПЭТ). ПЭТ-это принцип меченных атомов. Суть – получение срезов мозга искусственным путем. Позитронно-эмиссионная Томография (ПЭТ) основана на выявлении распределения в мозге различных химических веществ, которые участвуют в метаболизме мозга. Явление позитронной эмиссии – исход из ядра позитронов, в которой нарушен баланс между позитроном и электроном.

В 1911 Д. де Хевеши разработал концепцию атомов, а позитрон открыл Карл Андерсон.

Меченные атомы (радиоактивные метки) – радиоизотопы, которые используются для измерения скорости химических процессов и направления движения химических веществ в живых системах (клетках или тканях).
Техника:

Испытуемому вводится радиоактивный изотоп (в вену или изоляционно, вводят в виде соединения с другими молекулами, он должен лежать 30-90 минут, сканирование около 30 минут) и его голова помещается в ПЭТ-камеру (содержит детекторы гамма-излучения, собранные в кольца), в которую в виде круга вмонтированы кристаллические детекторы протонов. Подобное расположение детекторов позволяет фиксировать момент одновременного попадания двух «разлетевшихся» от места столкновения фотонов двумя детекторами, отстоящими друг от друга под углом в 180°.

Используется быстро распадающиеся (короткоживущие) изотопы С11, О15, N13, f18 (фтор). (позитронноизлучающие). Замещение соответствующего элемента на такой изотоп не влияет на химические свойства вещества, но позволяет проследить его движение.

Радиоактивные изотопы быстро распадаются при b-распаде, излучая позитроны (позитронная эмиссия).

В мозге радиоактивные изотопы излучают позитроны. Каждый позитрон после свободного пробега через ткань мозга (около 1-10 мм от локализации изотопа) взаимодействует с электроном (со своей античастицей) и происходит процесс аннигиляции (воссоединение-столкновение между этими частицами приводит к уничтожению частиц и появлению пары фотонов).

При аннигиляции выделятся 2 гамма-кванта, которые разлетаются строго под углом в 180 градусов. Это позволяет ввести счетчики совпадения, которые стоят на противоположных сторонах кольца по многим линиям. Гамма-кванты регистрируют специальные детекторы. При сборе данных и последующем отчете определяют плотность актов аннигиляции позитрона с электроном по каждой линии за время сканирования. Множество линий, образованных счетчиками совпадения, дают возможность получить распределение плотности аннигиляций в одном срезе мозга. По полученным горизонтальным срезам строят трехмерное отображение плотности аннигиляции по 3-D координатам источников аннигиляции. Это трехмерный образ (карта их распределения) объекта при дальнейшем визуальном или статистическом анализе.

ПЭТ/КТ – совмещенные томографы.

ПЭТ – сканнеры для животных.

Достоинства ПЭТ:

1.Неинвазивный метод

2.Возможно отследить метаболизм мозга с точностью до молекулы

3.Возможно делать срезы мозга в любом направлении

Недостатки ПЭТ:

1.Стоимость (сам прибор, обслуживание(требуется наличие радиоизотопной лаборатории с циклотрон), каждое исследование очень дорогое).

2.Необходимо вводить радиоактивные изотопы в кровь испытуемых

3.Низкое пространственное разрешение (несколько мм).

4.Очень низкое временное разрешение (несколько минут)

5.Активированные области связаны не только с выполняемой задачей.

6. Непрямое измерение нейрональной активности (измеряется метаболизм)
7. Вещества быстро выводятся из организма, но противопоказан беременным. Для пациентов с диабетом особые инструкции, т.к. уровень глюкозы влияет на результаты. За 4 часа воздержаться от еды.

Дополнительно: Наиболее часто применяют лиганд (комплексное соединение, обозначающее присоединение к одному или нескольким центральным атомам металла частицы) Р\В — дезоксиглюкозу (ФДГ). ФДГ является аналогом глюкозы. Области мозга с разной метаболической активностью поглощают ФДГ соответственно с разной интенсивностью, но не утилизируют ее. Концентрация изотопа Л8 в нейронах разных областей увеличивается неравномерно, следовательно, и потоки «разлетающихся» фотонов на одни детекторы попадают чаще, чем на другие. Информация от детекторов поступает на компьютер, который создает плоское изображение (срез) мозга на регистрируемом уровне. Кроме того, два других изотопа применяются в ПЭТ также для определения метаболической активности.

Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ).
 Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резонансная томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI) — нерентгенологический метод исследования внутренних органов и тканей человека. Здесь не используются Х-лучи, что делает данный метод безопасным для большинства людей.

Техника:.

Технология МРТ достаточно сложна: используется эффект резонансного поглощения атомами электро-магнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Техника основана на использовании парамагнитных свойств тех агентов, которые можно ввести в организм и они вовсе не обладают магнитными свойствами. Но приобреают их, стоит им попасть в магнитное поле. Например, парамагнитные субстанции гемоглобина. ФМРТ измеряет пространственное распределение гемоглобина, отдавшего свой кислород, а точнее отношение деоксигемоглобина к гемоглобину. Когда гемоглобин теряет кислород – он парамагнитен. При активации организма возрастает метаболическая активация мозга. Увеличивается кровоток. Дополнительный приток кислорода к участку мозга приводит к снижению в нем концентрации парамагнитного деоксигемоглобина. Существование многих локусов активации отражается в неравномерном распределении в мозге деоксигемоглобина, что создает неравномерность магнитного поля, которую используют для получения карт локальных активаций. ФМРТ выявляет участки мозга с активно работающими нейронными клетками. Молекулы в организме в магнитном поле разворачиваются согласно его направлению. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. В отличие от компьютерной томографии МРТ позволяет получить изображение патологического процесса в разных плоскостях. Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа (диагностика одного раздела позвоночника занимает 20–30 минут).

Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом «ядерный» в конце 1970-х годов. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул. МРТ получила начало как метод томографического отображения, дающий изображения ЯМР-сигнала из тонких срезов, проходящих через человеческое тело. МРТ развивалась от метода томографического отображения к методу объемного отображения.

Метод особенно эффективен для изучения динамических процессов (например, состояния кровотока и результатов его нарушения) в органах и тканях.

Преимущества магнитно-резонансной томографии.

Список заболеваний, которые можно обнаружить с помощью МРТ, внушителен: воспалительные, дистрофические и опухолевые поражения сосудов и сердца, органов грудной и брюшной полости, поражение лимфатических узлов, паразитарные процессы и другие патологии.

Достоинства:

1.Хорошее пространственное разрешение (3-4 мм)

2.Временное разрешение лучше, чем в ПЭТ (секунды)

3.Возможно усреднение проб, синхронизированных со стимуляцией

4.Метод неинвазивен.

5.Относительно по сравнению с Пэт безвреден.
6. Лучше визуализирует некоторые структуры ГМ и СМ (поэтоум чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований НС, где необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процесса).

Недостатки:

1.Высокая стоимость (по сравнению с ЭЭГ) и необходимость обслуживания прибора) и малая доступность самого прибора, поэтому используется только в случае спорного диагноза.

2.Высокая стоимость каждого исследования (по сравнению с ЭЭГ)

3.Временное разрешение хуже, чем в ЭЭГ и МЭГ

4.Непрямое измерение нейрональной активности (измеряется метаболизм)

5.Нельзя вносить металлические и электронные предметы (металлические коронки, кардиостимуляторы)

6.Шум

7. Не стоит подвергать беременных