Применение модифицированной МРТ-последовательности Time-SLIP для визуализации движения ликвора в водопроводе мозга и шейном отделе позвоночного канала

Читать метаданные

Прямая визуализация быстрых перемещений ликвора — актуальная задача нейрохирургии, имеющая такие приложения, как оценка наличия и степени тяжести гидроцефалии, эффективности вентрикулостомии III желудочка. Цель исследования — оценить возможности модифицированной импульсной МРТ последовательности Time-SLIP для визуализации движения жидкости (ликвора) в водопроводе мозга и шейном отделе позвоночного канала с помощью регистрации перемещения ликвора (LOM) на фантоме, у здоровых и больных людей. Материал и методы. Исследования проводились на фантоме, имитирующем пульсовые движения ликвора, у здоровых добровольцев (9 человек) и у 12 пациентов без нарушений ликвородинамики со средними показателями ликворотока, а также у 1 больного после вентрикулостомии III желудочка. Использовали магнитно-резонансный (МР) томограф 1,5 Тл. Параметры Time-SLIP: TR 8500 мс; TEeff 80 мс; Thk 5,0 мм; ширина tag-зоны 30 мм; NEX 7; время инверсии (BBTI) 2000/3000 мс, без кардиосинхронизации. Время сканирования 2:16 мин. Оцениваемый параметр — длина перемещения ликвора (Length Of Motion, LOM). Результаты. По данным исследований на фантоме, моделирующем различные условия колебательных движений жидкости, средняя ошибка определения LOM для модифицированного режима Time-SLIP составила 20%. С помощью данной методики для водопровода мозга получены следующие данные LOM (медиана, 25—75-процентный квартили): для BBTI 2000 мс — 13 мм (9,5—16,0 мм), для BBTI 3000 мс — 30,2 мм (23,7—35,3 мм), т.е. в 2,3 раза больше. Эта разница может быть объяснена интенсивным турбулентным током, приводящим к быстрому обмену ликвором между III и IV желудочками головного мозга и протяженным распространением ликвора в течение несколько сердечных сокращений. Определены количественные показатели перемещения ликвора на уровне C—С. Дополнительно показано применение Time-SLIP для оценки состоятельности фистулы III желудочка. Выводы. Предложена модифицированная импульсная последовательность Time-SLIP, не требующая кардиосинхронизации. Средняя относительная ошибка определения длины перемещения ликвора — 20%. Получены средние количественные показатели перемещения ликвора в водопроводе мозга и на уровне C—С. Для водопровода мозга показан турбулентный ток ликвора, приводящий к быстрому обмену между III и IV желудочками.

Ключевые слова:

магнитно-резонансная томография

ликвородинамика

спинномозговая жидкость

Time-SLIP

фазово-контрастная магнитно-резонансная томография

Авторы:

Петряйкин А.В.

ГБУЗ «Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий» Департамента здравоохранения Москвы, Москва, Россия

Сморчкова А.К.

ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва, Россия

Сергунова К.А.

ГБУЗ «Научно-практический психоневрологический центр им. З.П. Соловьева» Департамента здравоохранения Москвы, Москва, Россия

Ахмад Е.С.

Семенов Д.С.

Кудрявцев Н.Д.

Блохин И.А.

Морозов С.П.

Центральная клиническая больница с поликлиникой Управления делами Президента РФ, Москва

Владзимирский А.В.

SPIN РИНЦ: 3602-7120
Scopus AuthorID: 8944262100
ResearcherID: D-1447-2017
ORCID: 0000-0002-2990-7736

Маер Р.Ю.

Департамент здравоохранения города Москвы, Москва, Россия

Закрыть метаданные

Список сокращений

МРТ — магнитно-резонансная томография

МР — магнитно-резонансный

PC-MRI — фазово-контрастная МРТ

LOM — length of motion, длина перемещения ликвора

Введение

Разработка и применение методов для неинвазивной визуализации ликворотока являются актуальной задачей. При выполнении магнитно-резонансной томографии (МРТ) используют несколько методик для получения качественных и количественных данных о движении ликвора. Имеются данные о применении 4D-скоростного картирования (Four-dimensional velocity mapping, 4D-VM) [1]. Фазово-контрастная МРТ (PC-MRI) является «золотым стандартом» визуализации и количественной оценки ликвородинамики [2—4]. Time-SLIP (Time-Spatial Labeling Inversion Pulse) является вариантом тегирования (маркирования) артериальных спинов (Arterial Spin Labeling — ASL) и изначально разрабатывалась для безконтрастной МР-ангиографии [5, 6]. Технология Time-SLIP может быть также использована для визуализации тока иных сред организма: секрета поджелудочной железы [7], слюны [8], спинномозговой жидкости [9]. Данная методика может быть применена для изучения физиологии ликвородинамики [10—12], а также в клинической практике при такой патологии, как мальформация Арнольда—Киари I типа [13], наружная гидроцефалия [14] и сирингомиелия [15]. В отличие от PC-MRI, которая предоставляет количественную информацию о скорости движения ликвора, требует большого времени для выполнения и обязательной кардиосинхронизации, Time-SLIP является удобным методом для наглядной визуализации перемещения ликвора. Методика дает возможность оценки не только качественных, но и количественных данных, таких как длина перемещения ликвора (length of motion, LOM) — расстояние от края зоны тегирования до последнего пикселя со значимым контрастом [13]. Изученные публикации предполагают использование синхронизации с сердечным ритмом, что имеет ряд недостатков (низкая точность при аритмии, ошибках работы фотоплетизмографа, необходимость использования электродов). Модификация методики, исключающая применение кардиосинхронизации, упростила бы ее использование в рутинной практике для визуализации ликвородинамических нарушений, например в диагностике гидроцефалии, после нейрохирургических вмешательств, предполагающих измерение ликворотока.

Цель исследования — оценить возможности модифицированной импульсной МРТ последовательности Time-SLIP для визуализации движения жидкости (ликвора) в водопроводе мозга и шейном отделе позвоночного канала с помощью регистрации перемещения ликвора (LOM) на фантоме, у здоровых и у больных людей.

Материал и методы

Все исследования проведены на МР-томографе с индукцией магнитного поля 1,5 Тл, использовали стандартную 4-канальную радиочастотную катушку. Для импульсной последовательности Time-SLIP использованы следующие параметры: TR 8500 мс; TEeff 80 мс; толщина среза 5,0 мм; ширина селективной зоны тегирования, tag-зоны, 30 мм; число повторов (NEX 7); FOV 26×26 см; MA 128×256; Half Fourier; flip angle 90°; black blood time interval (BBTI) 2000/3000 мс, соответствует времени инверсии; SPEEDER 2; время сканирования ТА 2:16 мин. Срез в сагиттальной плоскости через водопровод мозга.

Принцип визуализации ликвора в режиме Time-SLIP состоит в том, что ткани в срезе визуализации имеют контрастность, аналогичную FLAIR (с подавлением сигнала от свободной жидкости), а зона маркирования (тегирования) имеет Т2-взвешенную контрастность: ликвор гиперинтенсивен по отношению к окружающим тканям. Если за время BBTI произошло перемещение спинов из зоны тегирования, определяется гиперинтенсивная область, при поступлении в зону тегирования насыщенного ликвора будет визуализирована зона пониженного сигнала.

Симулирование кардиосинхронизации осуществлялось с помощью фотоплетизмографа от внешнего устройства, подающего световой сигнал на датчик с частотой 160 вспышек в минуту (выше частоты сердечных сокращений пациента). Большое число повторов (NEX 7) использовано для получения наибольшего возможного количества координат ликвора.

Для определения точности данной методики на основании динамического фантома для моделирования потоков [16] разработан фантом, состоящий из свободно вращающегося шкива диаметром 100 мм с закрепленной на нем трубкой диаметром 4 мм из поливинила хлорида (ПВЗ) с дистиллированной водой, имитирующей ликвор (рис. 1, а—г).

Рис. 1. Фантом для регистрации перемещения ликвора (объяснения в тексте).

Шкив связан с мотором с помощью частично растяжимой нити (3 м), таким образом, шкив осуществлял маятникообразные движения, имитируя пульсирующий характер ликворотока. Амплитуда маятникообразного движения задавалась в диапазоне 1,5—4 см, частота колебаний диска — 50—90 колебаний в минуту (физиологический диапазон ЧСС).

В клиническом разделе исследования получены результаты у 9 здоровых добровольцев и 12 пациентов, у которых не было ликвородинамических нарушений (9 мужчин и 12 женщин) с медианой возраста 45 лет (минимально 24 года, максимально 84 года). Дополнительно методика Time-SLIP применена у 1 пациента для контроля эффективности вентрикулостомии III желудочка.

Измерения проводились на мультимодальной консоли Myrian (Myrian multimodal console). Зонами интереса являлись водопровод мозга и ликворные пространства на уровне C_I—С_II. Статистический анализ изображений произведен при помощи программного обеспечения Statistica 8.0 (StatSoft Inc., США). В связи с малой и гетерогенной группой использованы непараметрические статистические методы (U-критерий Манна—Уитни).

Результаты и обсуждение

При исследовании фантома определены значения амплитуды перемещения (LOM) для четырех различных частот колебания диска, что соответствовало величинам ЧСС 51, 54, 60, 93. Показано, что регистрируемая амплитуда смещения хорошо соотносится для BBTI 2000 и 3000, статистически значимых различий не получено (см. рис. 1, г, д).

Выбраны три фиксированные значения амплитуды колебаний: 1,5; 2,3; 3,9 см. Средняя относительная ошибка определения истинного перемещения по данным измерения LOM составила 20%, максимальная — 37%. В ряде случаев отмечено несимметричное регистрируемое перемещение по и против часовой стрелки, более заметное при BBTI 3000, что связано с направлением фазовокодирующего градиента.

Учитывая достаточно большой разброс данных, полученные в ходе клинического исследования результаты могут носить оценочный характер. Для получения надежных количественных результатов необходима более обширная экспериментальная база.

Визуализация перемещения ликвора из зоны тегирования у пациента после вентрикулостомии представлена на рис. 2.

Рис. 2. Визуализация перемещения ликвора из зоны тегирования у пациента после вентрикулостомии (объяснения в тексте).

Красными линиями отмечены значения LOM. Обобщенные результаты измерений перемещения ликвора, регистрируемых у пациентов, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенные результаты измерений перемещения ликвора, регистрируемых у пациентов.

При исследовании ликворотока в водопроводе мозга медиана LOM для BBTI 2000 мс составила 13,03 (9,53—16,00) мм, а для BBTI 3000 мс — 30,25 (23,68—35,27) мм соответственно, т. е. была в 2,3 раза выше (см. рис. 3, а). Эта разница может быть объяснена тем, что в водопроводе мозга происходит интенсивный турбулентный ток ликвора [9], приводящий к обмену ликвором между III и IV желудочками и к протяженному распространению ликвора (LOM) в течение нескольких сердечных сокращений за период BBTI. Это позволяет уточнить понятие «ударный объем» («stroke volume», «flow volume»), используемое в литературе по изучению ликвородинамики с помощью фазово-контрастной МРТ [17]. По-видимому, данное понятие применимо только к одному сердечному циклу.

При исследовании шейного отдела позвоночника на уровне C_I—С_II отмечаются несколько более интенсивные каудальные токи, LOM несколько больше в каудальном направлении для BBTI 2000 и 3000, но данные различия статистически незначимы (см. рис. 3, б). В среднем LOM для BBTI 3000 выше, чем для BBTI 2000 в 1,64 раза. Эти различия статистически значимы во всех случаях. Следует отметить, что данное различие в среднем меньше, чем для водопровода мозга (в 1,63 и 2,3 раза соответственно). Показаны статистически значимо более высокие уровни LOM для вентрального отдела (по сравнению с дорсальным) в обоих направлениях для BBTI 3000 (см. рис. 3, б).

Полученные нами данные в целом сопоставимы с результатами, приведенными в работе T. Ohtonari и соавт. [13] в 2018 г. Нами отмечено более интенсивное перемещение ликвора в вентральных отделах по сравнению с дорсальными. При применении понятия «total LOM» (сумма медиан LOM для вентральной и дорсальной поверхности, краниального и каудального направления) получено значение 30,06 мм, что несколько ниже по сравнению с данными, установленными в качестве границы «нормальных» значений для пациентов с мальформацией Арнольда—Киари I типа [14]. Разница может быть обусловлена различиями между методиками сканирования.

Приводим пример, иллюстрирующий возможности последовательности Time-SLIP для регистрации потоков ликвора в клинической практике.

Клинический пример

Пациентке Ц., 56 лет, в связи с окклюзионной гидроцефалией (спайка на уровне водопровода мозга) выполнена операция: вентрикулостомия III желудочка головного мозга. Через 2 мес проведена контрольная МРТ, включая режимы SSFP (аналог FIESTA), Time-SLIP (рис. 4).

В режиме Time-SLIP (BBTI 2000 мс) визуализируется поток спинов в направлении III желудочка через фистулу, в виде участка затемнения на фоне тегированного ликвора (отмечено черной стрелкой со светлым контуром). Этому потоку соответствует участок пульсации ликвора на SSFP изображениях (отмечено светлой стрелкой) (см. рис. 4, в). В режиме Time-SLIP с зоной тегирования, расположенной у оральных отделов водопровода мозга, не отмечено распространения ликвора в водопровод, что свидетельствует о его полной окклюзии (отмечено стрелкой с вертикальной штриховкой и светлым контуром). На изображениях визуализируется спайка водопровода мозга, вызвавшая нарушение оттока ликвора (см. рис. 4, а—в). Сохраняется вентрикуломегалия без перивентрикулярного отека (см. рис. 4, г).

Таким образом, комбинация изображений в режимах Time-SLIP и SSFP позволяет полноценно оценить состояние ликвородинамики после вентрикулостомии III желудочка головного мозга, подтвердить состоятельность фистулы.

Выводы

Разработана модифицикация импульсной последовательности Time-SLIP, не требующая кардиосинхронизации (время сканирования 2:16 мин) для оценки движения ликвора. Средняя относительная ошибка определения перемещения ликвора составила 20%. Данную методику следует рассматривать как метод экспресс-диагностики нарушений ликвороциркуляции для формирования групп пациентов с целью проведения более сложных и специализированных методик магнитно-резонансного сканирования с оценкой ликворотока. Технология может также дополнять данные по определению скорости движения ликвора методом фазово-контрастной МРТ. Разработанная методика может быть востребована в первичной оценке состоятельности вентрикулостомии III желудочка головного мозга, для изучения взаимосвязи арахноидальных кист с ликворными пространствами до и после оперативных вмешательств. Клиническая значимость полученных количественных показателей перемещения ликвора требует уточнения в ходе проведения расширенных исследований.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — А.П., С.М., А.В.

Сбор и обработка материала — А.С., Н.К.

Статистический анализ данных — К.С., Е.А.

Написание текста — Д.С., И.Б., Р.М.

Редактирование — Д.С., И.Б., Р.М.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Сведения об авторах

Петряйкин А.В. — https://orcid.org/0000-0003-1694-4682; e-mail: alexeypetraikin@gmail.com

Сморчкова А.К. — https://orcid.org/0000-0002-9766-3390

Сергунова К.А. — https://orcid.org/0000-0002- 9596-7278

Ахмад Е.С. — https://orcid.org/0000-0002-8235-9361

Семенов Д.С. — https://orcid.org/0000-0002-4293-2514

Кудрявцев Н.Д. — https://orcid.org/0000-0003-4203-0630

Блохин И.А. — https://orcid.org/0000-0002-2681-9378

Морозов С.П. — https://orcid.org/0000-0001-6545-6170

Владзимирский А.В. — https://orcid.org/0000-0002-2990-7736

Маер Р.Ю. — https://orcid.org/0000-0001-9727-2456

Автор, ответственный за переписку: Петряйкин А.В. — e-mail: alexeypetraikin@gmail.com

Комментарий

Статья А.В. Петряйкина и соавт. посвящена актуальной проблеме неинвазивной визуализации движения спинномозговой жидкости в ликворных путях головы и шейного отдела позвоночника. В работе рассмотрены возможности импульсной последовательности Time-SLIP для визуализации перемещения жидкости на фантоме и у пациентов в водопроводе мозга и в шейном отделе позвоночного канала. Режим Time-SLIP позволяет за 2 мин визуально оценить перемещение потока жидкости без применения кардиосинхронизации. Средняя относительная ошибка определения перемещения ликвора составила 20%. Исследование перемещений ликвора в водопроводе мозга и в шейном отделе позвоночника у здоровых добровольцев позволило оценить особенности ликворотока в этих отделах: турбулентное движение в водопроводе мозга и различия перемещений ликвора в каудальных и вентральных отделах шеи. Представленный в статье пример клинического применения режима Time-SLIP для оценки движения ликвора после эндоскопической вентрикулостомии дна III желудочка у больной с окклюзионной гидроцефалией позволяет надеяться на успешное внедрение этой методики в клинику. Однако данную методику следует скорее всего рассматривать как метод «экспресс-диагностики» нарушений ликвороциркуляции, на основе которого можно будет отбирать пациентов для проведения более сложных и специализированных методик МР-сканирования. Особенно это может быть востребовано при первичной оценке состоятельности вентрикулостомии III желудочка головного мозга и изучении взаимосвязи арахноидальных кист с ликворными пространствами до и после оперативных вмешательств. Возможности применения в клинике полученных и проанализированных авторами работы количественных показателей, а именно показателя длины перемещения ликвора (LOM), необходимо уточнять в процессе дальнейших расширенных исследований.

И.Н. Пронин (Москва)