Нейрохирургическое удаление остается одним из наиболее важных методов лечения злокачественных опухолей мозга. Степень резекции опухоли с минимальным повреждением функционально значимых структур существенно влияет на продолжительность и качество жизни пациентов после операции. Предоперационная идентификация корковых зон с помощью фМРТ и проводящих путей различными методами МР-трактографии с их последующей интраоперационной нейрофизиологической верификацией в настоящее время является стандартом в хирургии внутримозговых опухолей [1, 2].

Функционально значимые зоны коры, например моторная кора, как правило, хорошо идентифицируются с помощью прямой интраоперационной стимуляции. Относительно недавно Blood-Oxygen-Level-Dependent фМРТ (BOLD фМРТ) стала успешно применяться для планирования хирургического удаления опухолей мозга [3, 4].

Вместе с тем известно, что каждый из этих методов имеет свои ограничения и недостатки.

Было установлено, что BOLD-карты фМРТ могут показывать ложноотрицательные результаты в случаях локализации больших инфильтративных опухолей мозга вблизи функционально значимых зон коры [5—9]. Известно, что BOLD фМРТ основана на предположении об имеющейся функциональной связи между активностью нейронов и локальным кровотоком и оценивает непосредственно сосудистый ответ, а не активность нейронов. Патологические сосуды злокачественных опухолей сформированы аномально как структурно, так и функционально [5], изменена также их сосудистая реактивность [10—14]. У пациентов со злокачественными опухолями мозга патологические сосуды опухоли часто не отвечают на повышение активности нейронов, что приводит к ослаблению BOLD-ответа [15]. Наличие перитуморального отека также изменяет вазореактивность, усложняя построение фМРТ-карт.

В ряде исследований [9, 16—18] последних лет были сделаны попытки соотнести анатомическую локализацию области нейроваскулярного рассогласования, определенную при помощи количественных измерений цереброваскулярной реактивности, с ложноотрицательными результатами BOLD фМРТ.

Наиболее часто используемая методика анализа данных фМРТ основана на принципе неизменности функции гемодинамического ответа при соответствующей стимуляции. Это может приводить к недооценке степени активации (или к ложноотрицательным результатам) на статистических параметрических BOLD-картах при воздействии опухоли на прилегающую функционально значимую зону.

Возможным путем преодоления этих ложноотрицательных результатов, вызванных наличием патологической сети опухолевых сосудов и нейроваскулярным рассогласованием, является измерение вазореактивности и включение этих данных в BOLD фМРТ-анализ. Одним из способов оценки вазореактивности является задержка дыхания, приводящая к гипоксии и, возможно, гиперкапнии, что в норме ведет к дилатации сосудов мозга [14, 17, 18]. Вазодилатацию можно оценить таким же образом, как определяются BOLD фМРТ-ответы при стандартных парадигмах. В таких случаях принимается допущение, что функция гемодинамического ответа патологической сосудистой сети в одинаковой степени отклоняется от нормы независимо от вида стимуляции (задержки дыхания или моторных/речевых парадигм). Если это допущение окажется верным, будет возможным выявить участки активации даже в зонах патологической сосудистой сети при помощи оценки когерентности между функцией гемодинамического ответа при задержке дыхания и стандартных парадигмах фМРТ.

Цель данного пилотного исследования — применение когерентного анализа, учитывающего измененную гемодинамику, при сопоставлении карт BOLD-ответа, полученных при выполнении моторных или речевых тестов и теста с задержкой дыхания.

В исследовании принимали участие 5 здоровых добровольцев (3 мужчины и 2 женщины, средний возраст 23,5 года), а также 3 пациента с опухолями головного мозга (2 — с глиомами высокой степени злокачественности; один с анапластической олигодендроглиомой в глубинных отделах левой лобно-височно-островковой области, другой — с глиобластомой в левой заднелобно-теменной области; 1 пациент с единичным метастазом рака легкого в левой теменной доле).

МРТ проводили на МР-томографе 3,0 Тл с использованием 8-канальной головной катушки. Во всех случаях делали рутинные МРТ в Т1-, Т2-, T2-FLAIR-режимах, а также 3D SPGR (1 мм толщина среза) для построения анатомической модели. Функциональную МРТ с задержкой дыхания и применением речевых и двигательных тестов проводили с применением эхо-планарных изображений (TR=3с, TE=30 с, flip angle=60, матрица — 128×128, FOV=240 мм, толщина слоя — 5 мм). Размер вокселя 1,88×1,88×5 мм³.

В группе добровольцев было проведено 30 фМРТ-исследований с использованием стандартных блоковых парадигм для картирования моторных и речевых зон. Пациенту с анапластической олигодендроглиомой в глубинных отделах левой височной доли было выполнено картирование речевых зон. Пациентам с глиобластомой в левой заднелобно-теменной области и метастазом в левой теменной доле проведено картирование моторных зон коры.

Всем испытуемым также проводился тест с задержкой дыхания, дизайн которого совпадал с моторными и двигательными блоковыми парадигмами.

Для контроля задержки дыхания при фМРТ мы использовали брюшную манжету. Дополнительно определяли уровень сатурации при тесте на задержку дыхания при помощи пульсоксиметра и выявляли снижение насыщения крови О₂ на 2% у всех добровольцев и пациентов.

При всех заданиях регистрировали 112 объемов (8 раз по 14 объемов) в течение 6-минутного сканирования. Для мониторинга задержки дыхания использовали контроль дыхательных движений при помощи брюшной манжеты.

Дизайн стандартной фМРТ представлял собой 8 блоков из 14 объемов каждый: 6 объемов на активность и 8 — на отдых (как при выполнении заданий, так и при задержке дыхания). Задания для активации моторных зон заключались в переборе пальцами (finger tapping) двумя руками одновременно, а также движении пальцами обеих ног. Речевые задания представляли собой три варианта тестов: «буквы», «глаголы» и «аудирование». Задание «буквы» состояло в мысленном назывании слов, начинающихся на букву, которая появлялась перед глазами добровольца или исследуемого пациента на экране. Задание «глаголы» состояло в мысленном назывании глаголов, выражающих действия, связанные с предъявленным на экране предметом. Задание «аудирование» предполагало пассивное прослушивание текста без артикуляции.

Предварительная обработка данных включала:

1) коррекцию движений и временных сдвигов в программе AFNI;

2) пороговую сегментацию мозга в программе FSL;

3) повоксельную компенсацию линейных трендов во временных сериях в программе AFNI;

4) пространственное сглаживание c помощью гауссовского фильтра с «шириной на половине высоты» = 8×8×8 мм³ в программе Matlab.

Когерентный и корреляционный анализ всех фМРТ-изображений проводили с помощью программного пакета MATLAB v. 2017b [19].

На рис. 1 представлена

При обработке полученных данных у здоровых добровольцев и исследуемых пациентов в качестве первого этапа обработки строили карту васкулярной реактивности, вычисляя корреляцию временной серии, полученной при задержке дыхания, – x (t) c функцией активации — I (t). При задержке дыхания (активность) I (t)=1; во время свободного дыхания (отдых) I (t)=0.

В норме функция васкулярной реактивности в зоне активации (зеленая линия) повторяет по форме функцию идеального гемодинамического ответа (черная линия) (см. рис. 1, а). Параметрические карты активации строили с помощью стандартного анализа на основе коэффициентов корреляции. Положительную корреляцию считали статистически значимой при p<0,05 (односторонний критерий для коэффициента корреляции Пирсона с коррекцией на множественные сравнения по методу Бонферрони).

При наличии опухоли функция активации, которая показана черным на рис. 1, б, может отличаться по форме от функции васкулярной реактивности (идеального гемодинамического ответа, зеленая кривая). Функцию васкулярной реактивности для таких случаев вычисляли с помощью модифицированного стандартного анализа на основе когерентности (см. рис. 1, в).

Параметрические карты активации при наличии опухоли строили с использованием функции вазореактивности и проводили модифицированный анализ с коррекцией патологической васкулярной реактивности на основе когерентности, использующий данные фМРТ при задержке дыхания (см. рис. 1, г). Анализ на основе когерентности, использующий данные фМРТ с задержкой дыхания, предполагает зависимость гемодинамического ответа от локализации вокселя, обусловленную аномальной вазореактивностью тканей мозга рядом с опухолью. Для определения зон активации модифицированным стандартным анализом на основе когерентности в каждом вокселе вычислялась максимальная когерентность coh (y (t), I (t)) в интервале частот [0,006, 0,028] Гц между МР-сигналом при выполнении задания y (t) и функцией активации I (t). Пороговое значение когерентности coh_thr итеративным способом подбиралось так, чтобы количество вокселей, в которых coh (y (t), I (t))>coh_thr, равнялось количеству активированных вокселей при стандартном анализе на основе корреляции. Затем повоксельно вычисляли максимальную когерентность coh (y (t), x (t)) в указанном выше интервале частот между сигналом при выполнении задания y (t) и сигналом при задержке дыхания x (t). Воксели помечались как активированные, если в них выполнялось условие coh (y (t), x (t))>coh_thr для полученного на предыдущем шаге порогового значения.

При анализе полученных результатов оценивали взаимосвязь между нейроваскулярными ответами, полученными при задержке дыхания и при выполнении парадигм на моторную/речевую активацию, сравнивали результаты стандартного и предложенного нами методов построения параметрических карт при фМРТ с задержкой дыхания и при моторной/речевой активации.

На рис. 2, а

Поскольку у здоровых добровольцев нет нарушения возореактивности, стандартный метод анализа данных фМРТ и анализ на основе функции когерентности с учетом данных теста с задержкой дыхания дали сходные карты активации (рис. 3).

Применение когерентного анализа с учетом данных по задержке дыхания продемонстрировало большие по площади участки активации при картировании функционально значимых зон коры головного мозга, расположенных в непосредственной близости от опухоли (рис. 4, 5).

На рис. 4 показаны данные пациента с анапластической олигодендроглиомой в глубинных отделах лобно-височно-островковой области слева. При применении стандартного корреляционного метода (см. рис. 4, а) визуализируется участок активации, расположенный в средней лобной извилине, латеральнее опухоли. Метод когерентного анализа с учетом данных по задержке дыхания показал более обширную зону активации в триангулярной части левой нижней лобной извилины с переходом на среднюю лобную извилину (см. рис. 4, б).

Во время удаления опухоли с использованием прямой интраоперационной кортикальной стимуляции картировать зону Брока не удалось. Тем не менее в постоперационном периоде после удаления не менее 70% опухоли речевые расстройства не выявлены. Отрицательный результат прямой кортикальной электростимуляции можно объяснить тем, что опухоль дислоцировала нижнюю лобную извилину, где на фМРТ отмечалась активация при картировании речевых зон, к верхнему краю трепанационного окна и данная речевая зона оказалась за пределами области хирургического доступа.

На рис. 5 показаны карты активации моторной зоны правой кисти у пациента с единичным метастазом рака легкого в теменной доле слева. Стандартный метод обработки фМРТ выявил небольшую по площади зону активации по переднему контуру объемного образования.

Метод когерентного анализа с учетом данных по задержке дыхания позволил визуализировать большую по площади зону активации в деформированной прецентральной извилине.

Интраоперационное картирование двигательной зоны правой кисти продемонстрировало 100% совпадение данных фМРТ и прямой кортикальной электростимуляции (рис. 6).

Вазодилатационный эффект, вызванный повышением концентрации СО₂, может быть использован для калибровки уровня BOLD-сигнала и улучшения выделения зон активации в перитуморальной области при фМРТ [7, 8, 11, 20—23]. Применяемый в этой работе метод когерентного анализа был протестирован при функциональных исследованиях здоровых добровольцев и применен для 3 пациентов: 2 с глиомами высокой степени злокачественности и 1 с метастазом. Предложенный метод когерентности отличается от стандартного анализа данных фМРТ и предполагает, что вазореактивность при задержке дыхания и BOLD-ответ линейно зависимы. Мы считаем, что из-за вариабельности патологического влияния опухоли на сосудистый ответ необходимо проведение более масштабного исследования, включающего большую выборку пациентов и учитывающего месторасположение и распространенность опухоли, тип функционально значимой зоны коры.

Эффективность предлагаемого метода когерентности в значительной степени зависит от комплаентности пациента при выполнении всех активирующих заданий, в том числе с задержкой дыхания. Выполнение задания на задержку дыхания может быть достаточно сложным в клинических условиях в зависимости от тяжести состояния пациентов [3]. В нашем пилотном исследовании с тестом на задержку дыхания справились как здоровые добровольцы, так и все 3 исследуемых пациента, которые четко выполняли задачи.

При предоперационном фМРТ-планировании, как и при любом другом МРТ-исследовании, необходимо использовать адекватный статистический порог при построении статистических параметрических карт активации. Однако в нейрорентгенологических исследованиях здоровых добровольцев часто устанавливают фиксированное пороговое значение для всех испытуемых, участвующих в групповом анализе. В случае пациентов с опухолями головного мозга адекватный выбор пороговых значений требует индивидуального подхода. Одна из причин этого заключается в том, что часто значительно измененный гемодинамический ответ ослабляет BOLD-сигнал, как это было продемонстрировано у пациента, выполнявшего двигательное активирующее задание [9]. Часто в клинической практике пороговые значения выбираются менее строго, чем в научных исследованиях, с целью снижения количества ложноположительных результатов. В данном исследовании с учетом множественности сравнений порог составлял р<0,05. Мы выбрали этот довольно консервативный подход, чтобы иметь основу для сопоставлений. Вероятно, различия между стандартными картами и картами, основанными на вазореактивности, станут более очевидными, когда пороговые значения будут устанавливаться индивидуально для каждого случая. Наше исследование основывается на хорошо известном сосудорасширяющем эффекте увеличения концентрации СО₂ и снижения О₂. Этот эффект можно использовать также и при BOLD фМРТ. Мы предприняли первые шаги к пониманию того, как вазореактивность при задержке дыхания может быть использована для улучшения фМРТ-визуализации функционально значимых зон коры у пациентов с опухолями головного мозга. В нашем исследовании применялся относительно грубый и недостаточно контролируемый метод задержки дыхания для измерения вазореактивности. Для контроля задержки дыхания при фМРТ мы использовали брюшную манжету. Дополнительно определяли уровень сатурации при тесте на задержку дыхания при помощи пульсоксиметра и выявили снижение насыщения крови О₂ на 2% у всех добровольцев и исследуемых пациентов, что подтвердило эффективность теста задержки дыхания в создании гипоксии. По нашему мнению, метод задержки дыхания может быть применен в клинических исследованиях без необходимости использования дополнительного оборудования и персонала. Прямые методы создания гиперкапнии, например с помощью вдыхания газовой смеси с повышенным содержанием СО₂ [23], могут лучше контролироваться и продемонстрировать лучшие результаты в сочетании с фМРТ-исследованиями, но при этом увеличивается риск возникновения побочных эффектов повышенной концентрации СО₂ в крови (например, повышение внутричерепного давления, эпилептический приступ) у пациентов с опухолями головного мозга.

При предоперационной фМРТ патологическая вазореактивность, приводящая к ослаблению BOLD-сигнала от моторных/речевых зон коры в перитуморальной области, ограничивает информативность фМРТ. Мы предлагаем идентифицировать эти функциональные зоны, независимо оценив вазореактивность с помощью фМРТ при задержке дыхания. Когерентный анализ с учетом данных фМРТ при задержке дыхания, по нашим предварительным данным, может выявить клинически значимые расширенные зоны активации. Представленные предварительные результаты демонстрируют принцип, согласно которому нейрососудистое разобщение, известное своим влиянием на точность BOLD фМРТ в перитуморальных зонах, может быть по крайней мере частично преодолено путем включения независимого измерения вазореактивности в стандартный метод BOLD-анализа.

Исследования поддержаны грантом РФФИ № 17−54−33018/17 и одобрены этическим комитетом НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — И.Н. Пронин, А.А. Потапов, A.I. Holodny

Сбор и обработка материала — А.И. Баталов, Н.Е. Захарова, С.А. Горяйнов, С.Б. Буклина, А.А. Огурцова, А.С. Куликов

Статистическая обработка данных — Л.М. Фадеева, Э.Л. Погосбекян, П.В. Родионов, H.U. Voss, K.K. Peck

Написание текста — Н.Е. Захарова, Л.М. Фадеева

Редактирование — И.Н. Пронин, А.И. Баталов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

*e-mail: Pronin@nsi.ru

Статья посвящена актуальной проблеме нейровизуализации – улучшению картирования функционально значимых зон мозга при планировании хирургического вмешательства. Состояние вазореактивности имеет большое значение не только при новообразованиях мозга, но и при других патологиях, изменяющих функционирование сосудистой системы, в частности при сосудистых заболеваниях головного мозга. Материал представлен небольшой выборкой пациентов, однако фМРТ с задержкой дыхания и применением когерентного анализа (не зависит от амплитуды сигнала) позволяет улучшить визуализацию функционально значимых зон, находящихся в области опухоли и перитуморального отека. Необходимо дальнейшее изучение возможности применения теста с задержкой дыхания на большей выборке пациентов. Научная статья «Оценка вазореактивности для преодоления ограничений нейроваскулярного разобщения BOLD фМРТ при злокачественных опухолях головного мозга», несомненно, представляет интерес для читателей.

Р.Н. Коновалов (Москва)