Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биофизические основы магнито-резонансной ангиографии(моделирование кровотока в измененных сосудах)

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Биофизические основы магнито-резонансной ангиографии(моделирование кровотока в измененных сосудах)"

со

СП

. у СП

^ На правах рукописи

¡2 ™ Си

БЕЛОВА Татьяна Викторовна

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ АНГИОГРАФИИ (моделирование кровотока в измененных сосудах)

03.00.02-биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

\

Москва -1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте нейрохиру] им. акад. H.H. Бурденко РАМН

Научные руководители:

лауреат Государственной премии, заслуженный деятель науки РФ, доктор медицинских наук, профессор В.Н.Корнненко

академик РАМН, доктор биологических наук, профессор 10. А.Владимир

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук Л.Г.Коркпна доктор биологических наук В.В.Гнезднцкпй

Ведущее учережденне:

Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова

Защита состоится "_" _ 1998 г. в _ чэсое

заседании диссертационного Совета К 084.14.04 в России! Государственном Медицинском Университете МЗ РФ, г.Москва, 117869 Островитянова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета . Автореферат разослан "_"_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. мед. наук Н.В.Буромскнн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Развитие методов неннвазивной диагностики является одной из основных задач современной медицины. Среди них метод магнитно-резонансной томографии (МРТ), ставший рутинным диагностическим методом современной нейрорентгенолопш. Являясь развитием методов МРТ, чувствительных к потоку, магнитно-резонансная ангиография (МР-ангиография, МРА) позволяет визуализировать и изучать сосуды головного мозга и шеи в норме и патологии.

До недавнего времени основным методом диагностики патологии сосудов головного мозга была церебральная рентгеновская ангиография [P.Huber 1970, А.И.Арутюнов, В.Н.Корниенко 1971]. Этот метод является сложным инвазивным исследованием, требующим пункции артерии или вены с введением контрастного вещества в сосудистое русло. Церебральная ангиография небезопасна для пациента и может сопровождаться осложнениями.

Успешно применяемые в настоящее время методы непнвазивной диагностики - ультразвуковая транскраниальная допплерография [А.Р.Шахнович 1996], дуплексное сканирование [A.W.Litt 1994, Л.К.Брагина 1995] направлены на изучение скорости мозгового кровотока без визуализации ангноархитектоннки.

Одно из основных преимуществ MP-ангиографии над всеми неинвазивными методиками состоит в возможности в рамках одного обследования получить высокоинформативные МР-ангиограммы головного мозга и выявить сопутствующие изменения в тканевых структурах в режимах Т1- и Т2-взвешенных изображений. Минимальные временные затраты (в среднем 15 минут) и отсутствие специфичных противопоказаний к проведению исследования являются определяющими с точки зрения использования данного метода в повседневной клинической практике.

Исторически сложилось так, что метод MP-ангиографии начал применяться для визуализации сосудов раньше, чем были изучены механизмы влияния потока крови па MP-сигнал. Отсутствие экспериментальных данных по моделированию основных патологических состояний сосудов (сужение -стеноз, и расширение - аневризма) привело к неадекватным оценкам при анализе МР-ангнограмм и трудностям в интерпретации результатов исследования. Имеющиеся в зарубежной литературе статьи освещают в основном фундаментатьные принципы визуализации движения жидкости в MP-томографии [Axel L. et al. 1984; Haase A. et al.1986; Stalberg F. 1988; Osliinski J.N.et al., 1993]. С другой стороны имеются несколько работ, посвященных моделированию и прямым наблюдениям динамики потоков в

з

патологически измененных сосудах (изучение "прозрачной" моде; аневризмы, каротидной бифуркации), однако эти модели не изучали* методом МР-ангкографии [Во^аг Я. Е( а1. 1995; КегЪег СЖ е( а1. 1996 и др В отечественной литературе вообще отсутствуют данные о выполнен! модельных экспериментов по визуализации потоков и их изучению на осно! МР-ангиографии. Зависимость интенсивности МР-сигнала, как от внутренни связанных с кровотоком (скорость, ускорение, наличие турбулентнь возмущений и т.д.), так и от внешних факторов - аппаратурное обеспечен! МР-томографа, дизайн импульсной последовательности и ее параметры, усугубляют задачу адекватной интерпретации МР-ангнограмм, а в итоге правильную постановку диагноза. Поэтому необходимое экспериментального моделирования патологических состоянии сосудов изучением кровотока на основе импульсных последовательное^ градиентного эха, используемых в МР-ангиографии, позволит помочь пр решении многих диагностических проблем, например, связанных феноменом потери МР-сигнала в случае аневризм, оценкой стенозно! поражения артериальных стволов и т.д.

Данный круг проблем позволил сформулировать цели и задач предлагаемой работы.

Цель исследовании

На основе математического моделирования и экспериментально! изучения влияния эффектов потока на интенсивность МР- сигнала определит возможности применения магнитно-резонансной ангиографии п: визуализации сосудов головного мозга и шеи с разработкой оптимальны режимов сканирования и алгоритмов обследования.

Задачи исследования Эксп еримешпешьиые:

• Разработка экспериментального стенда для изучения эффектов потока МР-ангиографии;

« Изучение ламинарных и турбулентных потоков и их влияния ч интенсивность МР-сигнала при моделировании:

• сосудов с искривленной осыо

• сосудистой бифуркации

• стенозированпого сосуда (30%,70%)

• тромбированного сосуда

• аиевризматического расширения

• оптимизация параметров импульсных последовательностей методами математического и экспериментального моделирования.

Прикладные:

• На основе результатов экспериментального и теоретического моделирования разработать оптимальные алгоритмы визуализации стенозов, тромбозов, аневризм, артерпо-венозных мальформацин головного мозга и шеи.

• Адаптация МР-ангиографических последовательностей, использующих эффект переноса намагниченности для визуализации артериального и венозного кровотока;

• Разработка единого биофизического подхода к интерпретации МР-ангиограмм, полученных с использованием различных технологий (время-пролетных, фазо-контрастных, переноса намагниченности);

• Изучение возможностей применения парамагнитных контрастных веществ с целью улучшения визуализации сосудов головного мозга.

Научная новизна

Изучено влияние турбулентности потока на МР-сигнал в моделях сосудов с гладкими внутренними стенками и при патологических состояниях - стенозе и аневризматическом расширении на основе импульсных последовательностей МР-ангиографни.

Выработан единый биофизический подход в интерпретации МР-ангиограмм на основе время-пролетной, переноса намагниченности и фазовых импульсных последовательностей МР-ангиографни.

Изучено влияние внерезонансного РЧ-импульса на стационарную ткань и движущуюся кровь при использовании модифицированной на основе эффекта намагниченности время-пролетной МР-ангиографии.

Предложены критерии оптимизации параметров метода двухмерной время-пролетной МР-ангиографии для визуализации медленного кровотока.

Впервые получено высококачественное МР-изображепие кавернозных синусов, внутренних и базальных вен па основе использования модифицированной время-пролетной МР-ангиографии с внутривенным усилением парамагнитным веществом.

Практическая значимость

Предложенные алгоритмы, позволяют быстро визуализировать и изучать артериальное и венозное русло в нормальном и патологически измененном состояниях. Существенно сокращенное время сканирования на

основе время-пролепюн методики MP-ангиографии (в среднем 5 минут) может иметь большое значение при обследовании тяжелых больных с противопоказаниями к проведению церебральной рентгеновской ангиографии.

Разработаны методические рекомендации по выбору алгоритма визуализации стенозов, мешотчатых аневризм, артерио-венозных мальформаций сосудов головного мозга и шеи.

• Предложенный единый биофизический подход к интерпретации МР-ангиограмм головного мозга и шеи может быть использован врачами-клиницистами для адекватного прочтення полученных данных и правильной постановке диагноза.

Разработана новая методика МР-венографии, па основе модифицированной с использованием эффекта переноса намагниченности время-пролетной MP-ангиографии, которая позволяет визуализировать и изучать венозные структуры головного мозга, включая мелкие вены (до 1мм).

Внедрение в практику

По разработанным алгоритмам обследования проводится МР-ангиографическое исследование (МР-артерно- н венографня) у больных, находящихся на лечении в ПНИ нейрохирургии им. акад. H.H.Бурденко РАМН.

Основные положения диссертации представлены в

■ 1 монографии

■ 14 публикациях, из них:

3 - в отечественной периодической печати;

11- в виде тезисов на отечественных и зарубежных съездах и симпозиумах.

Апробация работы

Основные положения диссертации изложены на:

■ 4-ой сессии общего собрания Российской Академии Медицинских Наук (Москва) 1995;

■ 1-ом съезде нейрохирургов России (Свердловск) 1995;

■ 1-ой научно-практической конференция стран СНГ по МРТ в медицинской практике (Москва) 1996;

■ научно-практической конференции по МРТ в медицине (Санкт-Петербург) 1996;

■ научно-практической конференции по новым информационным технологиям в радиологии (Москва) 1997;

■ международной конференции по компьютерной и магнитно-резонансной томографии в клинике (Москва) 1997.

Апробации диссертационной работы состоялись 30 января 1998г на расширенном заседании проблемном комиссии по теме "Сосудистая патология головного мозга" НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н.Бурденко РАМН и б февраля на объединенной научно-практической конференции сотрудников кафедры биофизики медико-биологического факультета РГМУ и отделения нейрорентгенологин НИН нейрохирургии им. акад. Н.Н.Бурденко РАМН.

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 185страницах машинописи, содержит II таблиц, иллюстрирована 24 рисунками н 62 томограммами. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и выводов. Приложение содержит библиографический указатель из 210 названий, из них 17 отечественных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРОВОТОКА II ЕГО ИЗУЧЕНИЕ 1IA ОСНОВЕ МР-АНГИОГРАФИН

Экспериментальные исследования проводились на базе лаборатории

Магнитно-Резонансной Томографии Института Нейрохирургии им.

H.Н.Бурденко на магнитно-резоиансиом томографе «Magnetom» 42 SP фирмы Siemens с напряженностью магнитного поля

I.0 Тесла. С целью изучения влияния

эффектов потока на МР-сигнал движущейся крови в моделях сосудов, приближенных к нативиым с соблюдением физиологических условий их функционирования, был разработан экспериментальный стенд

Рис. 1 Схема экспериментального Сменные модели сосудов

стенда для изучения эффектов потока и (использовались виниловые трубки) их влияния на MP-сигнал. через проводники соединялись с

помпой (П) и резервуаром (Р) (1л), которые во избежание артефакта находились на большом расстоянии отаппергуры магнита.

При проведении экспериментов каждая из моделей монтировалась i циркулирующую систему, центрировалась в приемной катушке, помещалась i магнит. Далее проводилось сканирование на основе импульсные последовательностей МР-ангнографни:

время-пролетных: - 2D TOF (TR=32mc, TE=10mc, FA=20° -90°) - 3D TOF (TR=34 - 38mc, TE=12mc, FA=20°) фазо-контрпстноп: - 3D PC (TR=23 - 25mc, TE=13mc, FA=20°) где TR - время повторения РЧ-пмпульсов ТЕ - время эхо; FA - угол отклонения.

Настройка параметров передающего и приемного трактов в процессч каждого эксперимента не изменялась.

Изучение влняппя турбулентности потока на МР-спгнал

IIA OCIIOI3E Ш'ЕМЯ-Ш'ОЛЕТМОЙ МР-Л11ГПОП'ЛФШ1

А) -МОДЕЛЬ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО СОСУДА В настоящее время в литературе отсутствует единая концепция влияния турбулентности на интенсивность MP-сигнала. Имеются противоречащие друг другу данные о том, что турбулентностные потоки либо приводят к снижению интенсивности сигнала градиентного эха [George и соавт., Grant и соавт.], либо не влияет на него [Evans и соавт.].

В результате проведенных экспериментальных исследовании е изучении влияния скорости пульсирующего потока на MP-сигнал на основе время-пролетной 3D TOF-последовательиости были получены следующие результаты (рис.2): быстрое увеличение интенсивности МР-снгнала достигается при скоростях около 30-40 см/с, при скоростях около 80 см/с интенсивность MP-сигнала выходит на линейный участок и остается практически одинаковой по мере возрастания скорости. Переход ламинарного течения в турбулентное (верифицировано введением красящего раствора) е модели прямой гладкостенной трубки сопровождается снижением интенсивности MP-сигнала (в среднем на 10%). Полученная величина критического числа Рейиольдса в эксперименте равнялась 2300, чте укладывается в диапазон критических чисел Рсйнольдса, известных для гладкостенных трубок. Это соответствует средней скорости течения ~50см/с. Дальнейшее увеличение скорости потока не привело к изменению интенсивности MP-сигнала. Максимальная линейная скорость, достигнутая в эксперименте - 250 см/с. Для сравнения скорость на проксимальных участках аорты в норме в систоле менее 130см/с при Re<4500.

Рис. 2 График зависимости интенсивности МР-сигнала от скорости потока н числа Рейнольдса.

Б) МОДЕЛЬ СТЕПОМ СОСУДА (30%, 70%) В моделях локального сужения сосуда - модели стенозов 30% и 70% -при малом расходе (менее 25мл/мии) течение через стенозный участок было верифицировано как ламинарное. При увеличении скорости потока интенсивность МР-сигнала после перехода через критическое число Рейнольдса (Яекр~700) значительно снизилась. На МР-ангиограммах ламинарное течение до стенозного и на дистальиых к нему участках демонстрировало гипериптенснвный МР-сигнад (рнс.З). Однако, зона турбулентных течений - зона сужения и проксимальный к ней участок - была отмечена потерей интенсивности МР-сигнала. Зона потери сигнала была более протяженной в первой модели с меньшим диаметром просвета из-за более выраженной турбулентности потока (верифицировано прямыми наблюдениями). Потеря МР-сигнала в этих зонах происходит из-за потери когерентности потока и наличия нескомпенсированных фазовых сдвигов.

Зависимость плошали потери МР-сигнала от числа Рейнольдса на стенозном и проксимальном к нему участках отражена графически (рис.4).

Рис. 3. МР-ангиограммы с гистограммами моделей стенозных сосудов при ламинарном течении (слева) и турбулентном течении (справа). Потеря МР-сигнала при турбулентном потоке больше выражена в модели 70% стеноза (правая верхняя).

Зон» потери М Р-с н г капа ( м (2000

т

1.

160000 200000 Я г

Рис. 4 Зависимость зоны потери интенсивности МР-сигнала от числа Рейнольдса в моделях стенозных сосудов. (30%, 70%).

ю

Из проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод: на МР-ангиограммах, полученных на моделях стенозов сосуда, при соблюдении верхней границы физиологического диапазона скоростей, оценить количественно степень сужения сосуда в случаях выраженного стеноза (>70%) не представляется возможным, т.к. выявляется полная потеря МР-сигнала по всему сечению сосуда.

Это позволило определить ограничения метода МР-ангиографии при количественной оценки степени стеноза у пациентов со стенозом в области бифуркации сонных артерий. При МР-ангиографии, проводимой по разработанному для этих целей алгоритму (обследования проводились совместно с врачами-нейрорентгенологамн), стенотическое сужение артерии проявляется в виде участка снижения МР-сигнала (или полного его отсутствия) от соответствующего отдела сосуда с появлением изображения артерии на днстальном ло отношению к стенозу отрезке. Использование Ю ТОР- последовательности МРА со сбором данных в аксиальной плоскости дает наилучшие результаты в выявлении стенотических поражений в зоне

бифуркации сонной артерии. Однако, в случае

При изучении кровотока в моделях бифуркации и сосудов с искривленной осыо было выявлено снижение, а в некоторых наблюдениях потеря МР-сигнала от зон отрыва потока, образованных на внутренних стенках изгибов сосуда. В экспериментальных и клинических наблюдениях от сформировавшихся застойных зон на участках изгиба сосудов при условии их «попадания» в плоскость сканирования наблюдалась полная потеря МР-сигнала. Подобные проявления поведения МР-сигнала в клинических

выраженного стеноза сосуда, его степень и протяженность на основе МР-ангиографии преувеличены (рис.5)

Рис. 5. Стеноз проксимального участка внутренней сонной артерии. Полная потеря сигнала от кровотока на этом участке выявляется на МР-ангиограмме (20 ТОР-последовательность МРА)(а). Прямая ангиография (б) выявила стеноз с сохранением кровотока на проксимальном участке.

МР-СНГИАЛ П МОДЕЛЯХ БИФУРКА ЩШII СОСУДА С ИСКРИ 11ЛЕ11НОИ ОСЬЮ

наблюдениях могут быть ошибочно оценены как стенозные сосудисты« поражения. Поэтому для исключения возможных ошибочных ннтерпрстацш рекомендуется проводить сбор данных в нескольких плоскости: сканирования.

МР-СИГНАЛ И МОДЕЛИ АИЕПРИ ¡МАГИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ СОСУМ

В модели аневризматпческого расширения сосуда было полученс снижение интенсивности МР-сигнала от полости. При прямых наблюдениях 1 модели аневризмы наблюдались турбулентные рецяркулируюише потоки особенно хорошо визуализируемые в ранней диастоле. При скоростях верхнеГ границы физиологических условий течения происходили существенные вариации в интенсивности МР-сигнала от различных участков аневризмы пр! сканирования с использованием время-пролетной (30 ТОР) и фазо-контрастной (30 РС) последовательностей МР-ангиографии (рис.6).

Рис. 6. МР-ангиограммы модели аневризмы на основе 30 ТОР (а) и ЗЭ РС (б) последовательностей.

Анализируя МР-ангиограммы, полученные при использовании двух основных методик МРА, можно проследить общую тенденцию: увеличение и затем падение МР-сигнала в сосуде и вдоль пристеночной зоны аневризматпческого расширения. Отмечается разница в интснсивностях между потоком в сосуде и в стенках аневризмы. Центральная часть аневризмы представлена низким МР-сигналом в обеих последовательностях:

не исключено, что в этой зоне формируются течения с противоположным направлением по отношению к соседним зонам.

При сопоставлении МР-спгналов от пристеночной зоны и центральной части аневризмы можно отметить два механизма, влияющих на разницу в сигналах: во-первых, пристеночное усиление может быть связано с втеканием большего количества ненасыщенных протонов с высокой намагниченностью, чем в близлежащей зоне (той которая ближе к центру аневризмы и где, возможно, течения более медленные). Второй причиной может быть тот факт, что пристеночное течение менее турбулентно, чем в центральной зоне аневризмы и снижение сигнала от него менее выражено. В 30 РС последовательности МР-сигнал значительно варьировался по протяженности сосуда. Это было связано с различными скоростями при пульсациях. В этих импульсных последовательностях усилены фазовые влияния на намагниченность движущихся протонов, и возникающие фазовые сдвиги зависимы от скорости потока.

При изучении нетромбарованиых иптракраниальных аневризм крупных и гигантских размеров на основе предложенных алгоритмов, феномен снижения интенсивности МР-снгнала от полости (а в некоторых наблюдениях полная потеря сигнала) засчет турбулентных рециркулирующих потоков, выражается в плохой визуализации патологического очага при проведении МР-обследованпя с использованием время-пролетной и фазовой методик магнитно-резонансной ангиографии (рис.7).

подтвердила туроулентнын характер заполнения

полости мешотчатой

аневризмы (в).

значительное снижение сигнала от центральных отделов аневризмы за счет турбулентных потоков

использованием 30 РС (а) и 30 ТОР (б) -последователь-

крови.

ноете и,

выполненных

Рис. 7. Гигантская мешотчатая аневризма левой ВСД. На МР-ангиограммах,

потоков Ангиография

отмечается

с

В этих случаях использование парамагнитного контрастного вещества улучшает визуализацию аневризмы, МР-сигнал от которой становится гомогенно гнперпнтенсивным.

2. ВЫБОР ОПТПМАЛЫ1ЫХ ПАРАМЕТРОВ ВРЕМЯ-ПРОЛЕТНОП МР-АПГПОГРАФПП (2Э ТОР МРА)

Если теоретический анализ визуализации турбулентного потока на основе МР-ангиографии представляется достаточно сложной задачей и изучение его влияния на МР-сигнал возможно лишь в экспериментальных условиях, то построение математической модели МР-сигнала движущейся крови и подбор оптимальных параметров импульсных последовательностей для визуализации ламинарных потоков является решаемой задачей.

Была построена математическая модель МР-сигнала движущейся крови с использованием 20 ТОР - последовательности МРА и методом компьютерного моделирования подобраны оптимальные параметры для визуализации вен основания головного мозга. Визуализация венозного кровотока является актуальной задачей в клинике, т.к. проведение церебральной пункционной ангиографии сопряжено с большими техническими сложностями, требует высокой квалификации врача-нейрорентгенолога и небезопасна для пациента. Поэтому визуализация венозных структур методом МР-ангиографин, в том числе и мелкого калибра, например, кавернозных синусов, является существенным моментом в решении многих клинических задач.

Для построения математической модели зависимости МР-сигнала от параметров импульсной последовательности выбрана РЬАБН-последовательность в режиме 2В-Т0Р. Применение градиентного спойлинга, разрушающего поперечную компоненту (М^) вектора суммарной намагниченности позволяет не учитывать ее при построении теоретической модели.

МР-сигнап движущейся крови определяется формулой Бк-р, для неподвижной ткани - формулой 5тк\

-(11-1)11!/Т1) 1-сс>*и*1'\||(- 1К/Т1)

(1,2)

1_

= М„$та х ¡(1 - схр(-ТГ1 /Т1» х + соб""1 а х схр( —(п - 1)ТК /Т1)]

Б|К = М,, 5!па х (1 - ехр(-Ти /Т1)):

1-и«ахг.\р(-ТК/П)

где Ми - начальное значение намагниченности ткани до воздействия РЧ-импульсов, ТК- время повторения РЧ-нмпульсов, Т1-время продольной релаксации ткани, а(ГА) -угол отклонения продольной намагниченности

после воздействия РЧ-импульса, п- количество РЧ-импульсов, воздействующих па ткань.

Для движущейся крови параметр и связан с толщиной среза (Til) , временем повторения (TR) и линейной скоростью течения крови (V):

п= TliA'xTR (3)

Для оптимизации параметров был введен критерии

S = Sicp/STK (4)

где Sk|) и Stic рассчитываются по (формулам (1,2). Поведение критерия S при заданных значениях скорости, толщины среза, рассчитанное при помощи специально написанной программы, иллюстрировано на рис.8.

Рис.Б График выбора оптимальных параметров 20 Т01: последовательности МРА. График построен но данным, полученным при следующих значениях ТЯ = 5... 100, инкремент 5 мс. РА = 3...90, инкремент 3° ТЬ= 3 мм.

Как показывают расчеты максимальный контраст между движущейся кровыо и стационарной тканыо достигается при неограниченном уменьшении ТЯ. Этот вывод позволяет рекомендовать для данной последовательности минимальное ТК, Особый интерес представляет зависимость контраста от РА. При высоких скоростях кровотока наблюдается монотонное увеличение критерия 8 при возрастании угла до 90 градусов. Для низких скоростей кровотока зависимость приобретает экстремальный характер с максимальным Б, соответствующим оптимальному значению РА. Данный вывод согласуется с экспериментальными наблюдениями, согласно которым качество визуаппзапни сосудов с медленным кровотоком (венозные структуры

основания мозга, мелкие артерии) при помощи методики 20 ТС существенно зависит от эффектов насыщения, обусловленных в основнс величиной РА.

Оценку оптимального значения РА в рамках рассмотренной выи математической модели можно провести аналитически. При этом значеш оптимального угла отклонения (достигается максимум в выражении связано с величиной п следующим соотношением:

Полученные расчетным путем оптимальные значения параметров РА импульсной последовательности 20-Т0И были сопоставлены со значениям полученными в эксперименте на модели прямолинейного сосуда. При это получено удовлетворительное соответствие расчетных и экслериментальнь данных (рис.9)

МР-снгнал (отн. ед.) 2.20 —] .ф. тя32пм

1

а = агс со5 (1 - —) и

(

200

С

>

1.80

1 60

О

о

О

1.20

000

20 00

40 00

60 00 80 00 100 00

Угол отклонения (град.)

Рис.9. Зависимость относительного МР-снгнала от угла отклонения для величины ТЯ=50 мс Р1А5Н20, ТЕ=10мс„ Т11к=3м.м.

Таким образом, оптимальными в 20 ТОР- последовательности являются минимальные для данного оборудования времена повторения (Т11) и углы отклонения (РА) ¿0°, при толщине среза 3 мм. Эта последовательность визуализирует кровоток с линейной скоростью до 20 см/сек, характерной для венозных коллекторов основания головного мозга.

Прикладное значение данного подхода иллюстрируется наблюдением на рис 10.

Рис. 10 МР-ангиограм.мы на основе 2D TOP МРА с использованием FA= 30°, 50°, 90°. Оптимальное значение контраста между движущейся кровыо и стационарной

3. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ АНГИОГРАФИИ

Для правильного методологичного подхода к изучению интракрапнального кровообращения методом MP-ангиографии такие параметры как диаметр сосуда, скорость и направление течения крови должны быть учтены при выборе той или иной импульсной последовательности МРА и, соответственно, выборе алгоритма обследования, в основе каждого из которых лежит импульсная последовательность с оптимально подобранными параметрами.

Дизайн импульсных последовательностей МР-ангиогрпфии направлен на усиление одних и минимизацию других эффектов потока, возникающих при движении крови при магнитном резонансе. Так, во время-пролетных последовательностях и их модификациях - 2D TOF, 3D ТОР, 3D TOF + MTS, TONE, MTS + TONE доминируют время-пролетные (от англ. Time-of-ilight) -эффекты кровотока, а в фазо-коптрастных - 2D PC, 3D PC - эффекты фазового сдвига. Именно эффекты потока определяют интенсивность регистрируемого MP-сигнала от кровотока в МР-ангиографпи, а не различие релаксационных времен движущейся крови и стационарных тканей.

тканыо получено при FA=50°.

МР-ангнографня на основе время-пролетном 30Т01 последовательности с реконструкцией в аксиальной плоскости, четь визуализирует все составляющие Виллпзиева круга .

Модификация этой последовательности -30 ТОГ"+МТ: последовательность- на основе эффекта переноса намагниченности использованием дополнительного внерезонансного РЧ-импульса (1500П 8мс, 9мТ), воздействующего только на мягкие ткани мозга (фракцг связанных протонов), позволяет визуализировать коммуникантные артерн Виллизиевого круга (рис.11). Относительный контраст движущейся крови мягких тканей мозга при использовании данной последовательное возрастает до 30%.

Рис. 11. МР-ангнограмма артериальных сосудов

головного мозга в аксиальной проекции -3DTOF+MTS-

последовательность.

Алгоритм для визуализации артериального _кровотока_

Название 1И1 ANGIO 42 MHz MTS 1CV МП

Параметры 11Г1 Время повторения (Т1ч) 43 та Время эхо (ТЕ) 10 пи Угол отклонения (РА) 20° Время сбора данных 8:51 (12:20)с Матрица изображен! 192 х256 (256 х512 Количество повторо Количество составляющих 64 Толщина ед. составляющей 1 мм Компенсация по скорости (вМЯ)

Количество слаоов 1 Толщина слаба (ТЬ) 64 мм Поле обзора (РОУ) 200 Ориентация слаба Аксиальная Срез / Авто Срез / Сатурация венозной крови Измерение

В представленной дапее таблице 1 дан сравнительный анали импульсных МРА-последовательностей в визуализации артериальных сосудо головного мозга.

Количество плюсов определяет эффективность данной импульсно последовательности в визуализации основных артериальных стволо головного мозга в контрольной группе здоровых людей:

( + ) - визуализировано менее 50% ( + + ) - от 50% до 80% ( + + + )-от 80% до 100%

Таблица 1

/ Нослкдон.ит. и.шк'П. ЛГГЕГНИ' 3D ТОК 3D ТО F + MTS MTS + TONE 3D PC

1. Передняя мозговая - Передняя соединительная + + + + + + + + +

2. Псрикаллезная + + + + + + + +

3. Офтальмичсская (проксимальные отделы + + + + + + +

4, Средняя мозговая (включая дпетальпые отделы) + + + + + + + + + +

5. Задняя мозговая + + + + + + + + -t-

6. Верхняя мозжечковая + + + + + + +

7. Нижняя задняя мозжечковая (проксимальные отделы) + + + + + +

8. Казиллярная артерия + + + + + + + + + +

9. Артериальный круг большого мозга (включая задние сосдши цельные артерии) + + + + + + + + +

Ю.Сатураиия мозговой ткани + + + + + + + + + +

Как видно из таблицы наиболее эффективными в визуализации большинства артериальных сосудов головного мозга, включая днетальные отделы церебральных артерий, являются 3D TOF + MTS и MTS + TONE последовательности. Однако, необходимо учитывать, что время обследования значительно увеличивается при выборе высоких матриц разрешения в алгоритмах на основе данных последовательностей (12:00 мин. при матрице 512X256 в 3D TOF+ MTS в сравнении с 7:08 мин. при матрице 192x256 в 3D TOF).

Для визуализации крупных венозных коллекторов основания головного мозга была использована оптимизированная для этих целей двухмерная время-пролетная 2D TOF-последоватедыюсть.

Для визуализации венозной анатомии головного мозга, включая венозные структуры более мелкого калибра (кавернозные синусы, внутренние

вены мозга н т.д.) была разработана методика с использован! модифицированной время-пролетной ЗЭ ТОР+МТБ-последовательносп эффектом переноса намагннченночти с применением парамагнитн контрастного вещества на основе СсЮТРА - "МаднечтзГ в стандарт! дозировке - 0.1 ммоль/кг. (Рис.12).

Рис, 12. МР-ангиограмма венозной системы головного мозга (30 ТОЙ с МТБ последовательность) с пресатурацпеп артериальной кропи, усиленная применением контрастного вещества в прямой (а) и косой -аксиальной (б) проекциях. I - верхний сагиттальный синус, 2 - нижний сагиттальный синус, 3 конвекептадьные вены, 4 - септальные вены, 5 -внутренняя вена, 6 - большая вена мозга (вена Галена), 7 -прямой синус.

Алгоритм для визуализации венозного _кровотока_

Название ИП ANGIO 42 MHz MTS ICV MTS

Параметры 11Г1 Время повторения (ТП) 43 шб Время эхо (ТЕ) 10 1ш Угол отклонения (РА) 20° Время сбора данных 8:51 с Матрица изображения 192 х 256 Количество повторов 1 Количество составляющих 64 Толщина ед. составляющей Компенсация по скорости (GMR)

Количество слабой 1 Толщина слаба (ТЬ) до 96 мм Поле обзора (РОУ) 200 Ориентация слаба -Сагиттальная Срез / Авто Срез / Сатурация артериальной крови Контрастное вещество Gd+ Измерение

Применение 30 РС- последовательности в визуализации венозной анатомии допустимо, по в нашем материале было ограничено из-за неудовлетворительного отношения сигнал-шум (отсутствие кардиосинхропизации),

В таблице 2 отображен сравнительный анализ импульсных последовательностей МР-ангиографии, рекомендуемый для визуализации венозного кровотока.

Таблица 2

ВЕНЫ / ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ 20 ТОГ ЗЦ ТОГ + МТБ + (С(1) 30 РС

1. Верхний сагиттальный синус + + + + + + +

2. Нижний сагиттальный синус - + + -

3. Поперечный синус + + + + + +

4. Примой синус + + + + +

5. Сигмовидный синус - + + + +

6. Кавернозные синусы - + + + -

7. Каменистый синус - + + -

8. Глазничные вены - + + -

9. Болыпап вена + + + + + + +

10.Глубокие пены + + + + -

П.Конвекснтлльиые вены + + + + + +

12.Синусный сток + + -+- + + + +

13.Сатурация ¡мнгкпх тканей + + + + + +

В таблице количество плюсов определяет эффективность конкретной

импульсной последовательности в визуализации основных венозных структур головного мозга:

( + ) - визуализировано менее 50% ( + + ) - от 50% - до 80% ( + + + )- от 80% до 100°,о

(-) - не визуализируется в данной последовательности.

выводы

1.Разработанный экспериментальный стенд для изучения методами Ml томографии кровотока в моделях нормальных и патологически измененнь сосудах in vitro позволяет создать максимально приближенные физиологическим характеристики кровотока: скорость, частоту пульсаци время релаксации Т1.

2.Изучены зависимости контраста между движущейся кровью и стационарнс тканью от параметров двухмерной время-пролетной последовательности Ml ангиографии. На основе методов математического и экспериментально! моделирования показано, что максимальный контраст достигается пр использовании коротких времен повторения (TR) и значениях уг; отклонения (FA) 50". Предложен простой метод оценки оптимально! значения угла отклонения.

3.На моделях нормачьных и измененных сосудов изучено влияние скорост кровотока на интенсивность МР-сигпала. Установлено:

• -с увеличением скорости течения интенсивность МР-сигнала прямолинейных моделях с гладкими внутренними стенками не меняет! с повышением степени турбулентности потока;

• -при сужении сосудистого русла в моделях стеноза сосудс интенсивность MP-сигнала снижается линейно с повышением скорост выше критической точки Рейнольдса;

• -с повышением скорости кровотока в моделях стеноза сосудов (30° 70%) зона потери MP-сигнала больше в модели выраженного стено: (меньший диаметр просвета). Это может иметь большое прикладн( значение при интерпретации МР-ангиограмм в наблюдениях артериальными стенозами.

• -расширение сосудистого русла с рециркуляцией турбулентных потоков нем (модель аневризмы) приводит к снижению интенсивности Ml сигнала вплоть до полной потерн.

4.Предложены алгоритмы обследования сосудов головы и шеи в норме патологии. Полученные совместно с врачами на их основе МР-ангиограммь сопоставлены с данными прямой церебральной ангиографии. При это! диагностическая эффективность метода МР-ангиографин составила:

• 88% в наблюдениях со стенозами и тромбозами артерий

• 93% в наблюдениях с артериальными аневризмами

• 92% в наблюдениях с артериовсиозиыми мальформациями

5.Разработана новая методика МР-всиографни на основе моднфицироваино трехмерной время-пролетной МР-ангнографип с переносом намагннчеиност в сочетании с применением парамагнитного контрастного препарата. 1

результате клинической апробации показано, что методика обеспечивает высокоэффективную селективную визуализацию венозных структур головного мозга, включая вены малого калибра (до 1мм).

[¡уо.ткацшг.

Монография

Магнитно-резонансная томография в нейрохирургии. (Коновалов А.П., Корниенко В.Н., Пронин H.H.)

Соавторство в главе «Сосудистые заболевания и мальформацин головного мозга» изд. «Видар», Москва, 1997

Статьи

1.Магнитно-резонансная ангиография: возможности и ограничения. Вопросы нейрохирургии, 1996, том 1, стр 8-10 (в соавт. В.Н. Корниенко, Н.В. Арутюнов)

2.Сниптиграфня синусов головного мозга при нейрохирургических заболеваниях. Медицинская радиология 1996, номер 5, стр.27-32 (в соавт. Е.Я.Щербакова, С.С.Гаспарян)

3.Магнитно-резонансная ангиография-новый метод диагностики нейрохирургической патологии. Вестник рентгенологии и радиологии, 1997, том 1, стр 13-18. (в соавт. В.Н. Корниенко, H.H. Пронин)

Тезисы

1 .Магнитно-резонансная ангиография в нейрохирургической клинике. 1-ый съезд нейрохирургов России,1995, Свердловск, (в соавт. В.Н. Корниенко, Н.В. Арутюнов)

2.Нахождение оптпматьпых параметров при time-of flight MP-ангиографии методом компьютерного моделирования 1-ая научно-практическая конференция стран СНГ по магнитно-резонансной томографии в медицинской практике, Москва, 1995 (в соавт. А.В.Петряйкнн, П.В.Родионов)

3.Парасагиттальные мсиннгномы - возможности MP-томографии и МР-ангиографии с контрастным усилением. 1-ая научно-практическая

конференция стран СНГ по МРТ в медицинской практике, Москва, 1995, ( соавт. В.Н.Корниенко, И.Н.Пронин, А.В.Петряйкин, А.В.Козлов)

4.Клиническое применение магнитно-резонансной ангиографш возможности и ограничения. 4-ая сессия общего собрания Российско Академии Наук, Москва,1995 {в соавт. В.Н.Корниенко, Н.В.Арутюнов)

5.Магнитно-резонансная томо- и ангиография при артерио-венозны мальформациях спинного мозга. Научно-практическая конференция. Санкт Петербург, 1996 (в соавт. с Т.П.Тиссеном)

б.Эффект переноса намагниченности: улучшение визуализации пр проведении МР-ангнографни. 1-ая научно-практическая конференция п МРТ, Москва, 1996, (п соавт. А.В.Петряйкпи)

7.PresurgicaI evaluation of the superior sagittal sinus and cortical veins in patient with parasagittal meningiomas: comparison of 2d-tof and nits with gd-enhancemet (in colab. with V.N. Komienko, l.N.Pronin) 1996

8.Магнитно-резонансная ангиография в диагностике артериальных аневризг и артерио-венозных мальформашш головного мозга, Научно-практическа конферениция по МРТ в медицине, Ленинград, 1996, (в соавт В.Н.Корниенко, О.В.Климчук, И.Н. Пронин)

9.Применение новых технологий в MP-ангиографии. Конферениция и новым информационным технологиям в радиологии, Москва, 1997, (в соавт А.В.Петряйкин, А.М.Туркин)

10.Экспериментальное изучение влияния турбулентности потока на основ время-пролетной МР-ангнографнп. Международная конференция п< компьютерной и магнитно-резонансной томографии в многопрофильно! клинике (в соавт. А.В. Петряйкин, Л.М.Фадеева) Москва, 1997

11.Magnetic resonance angiography of vien of Galen malformations in olde children and adults

Possibilities and Limitations. Congress of neurosurgery Baltic cantries, Villnus 1997 (In coiab. V.N.Kornienko)