Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса исследований кровотока головного мозга методом ASL-перфузии и применения флуоресцентной диагностики в хирургии глиом головного мозга (литературный обзор) 16
1.1. ASL-перфузия 16
1.1.1. Перфузионные исследования, применяемые для изучения кровотока головного мозга 16
1.1.2. Основные принципы ASL-перфузии 18
1.1.3. Разновидности методик ASL-перфузии 21
1.1.4. Разрабатывающиеся разновидности ASL-перфузии 26
1.1.5. Артефакты 29
1.2. Применение ASL-перфузии в изучении кровотока головного мозга в норме и при патологии 30
1.2.1. Варианты нормы 30
1.2.2. Цереброваскулярные заболевания 32
1.2.3. Сосудистые мальформации 34
1.2.4. Деменция и когнитивные расстройства 35
1.2.5. Эпилепсия 36
1.2.6. Инфекции ЦНС 38
1.2.7. Опухоли ЦНС 38
1.3. Исследование взаимосвязи опухолевого кровотока, измеряемого методом ASL-перфузии, и мутации гена IDH-1 43
1.4. Исследование взаимосвязи опухолевого кровотока, измеряемого методом ASL-перфузии, и уровня пролиферативной активности опухолей Ki-67 44
1.5. Флуоресцентная интраоперационная диагностика глиом головного мозга 45
1.6. Резюме 47
Глава 2. Общая характеристика клинических наблюдений и методика исследования 49
2.1. Общая характеристика клинических наблюдений 49
2.2. Характеристика методов исследования больных 53
2.2.1. Магнитно-резонансная томография и псевдонепрерывная ASL перфузия 53
2.2.1. Хирургическое удаление опухолей с использованием флуоресцентной диагностики 55
2.2.3. Исследование мутации гена IDH-1 у пациентов с глиомами головного мозга 56
2.2.4. Исследование уровня индекса пролиферативной активности Ki-67 в опухолевой ткани 59
2.3. Критерии оценки полученных данных 61
Глава 3. Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении со степенью злокачественности опухолей 63
Глава 4. Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении с генетическими и иммуногистохимическими характеристиками опухолей 76
4.1.Взаимосвязь максимального опухолевого кровотока и мутации гена IDH-1 в глиомах головного мозга 76
4.2. Взаимосвязь максимального опухолевого кровотока и индекса пролиферативной активности Ki-67 глиом головного мозга 86
Глава 5. Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении с данными интраоперационной флуоресценции 90
Заключение 96
Выводы 105
Практические рекомендации 107
Список сокращений 108
Список литературы 111
- Разновидности методик ASL-перфузии
- Общая характеристика клинических наблюдений
- Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении со степенью злокачественности опухолей
- Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении с данными интраоперационной флуоресценции
Разновидности методик ASL-перфузии
На данный момент существует 4 типа методик ASL-перфузии, которые, главным образом, отличаются способом маркирования. CASL (непрерывное маркирование) была первой методикой ASL-перфузии [112]. Для устранения ограничения и различных технических проблем позднее были разработаны псевдонепрерывная ASL (pCASL), PASL (импульсное маркирование) и скорость-селективная ASL (VS-ASL) [67,81].
CASL использует длинные РЧ-импульсы (2-4 секунды) в сочетании со срез-селективным градиентом для создания намагниченности спинов артериальной крови, которое проводится в тонком слое немного ниже области сканирования [43,67,79,81].
Эффективность маркирования CASL может зависеть от изменений скорости движения крови [120], что делает среднюю эффективность CASL ниже, чем PASL – 80-95% против 95%. Однако более близкое расположение области инверсии к плоскости сканирования минимизирует потерю сигнала перфузии, вызванную Т1 релаксацией и незначительно компенсирует более низкую эффективность инверсии. CASL более чувствительна к времени транзита, однако эффективность количественного измерения перфузии у данной методики ниже, чем у PASL [79]. Другим ограничением является необходимость дополнительного аппаратного обеспечения для передачи непрерывных радиоимпульсов, которое обычно не предоставляется с коммерческими томографами [81].
В 1994 году Edelman et al. разработали первую схему PASL [33]. Вместо маркирования спинов артериальной крови при прохождении через плоскость (используется в CASL) PASL использует короткие РЧ-импульсы (5-20 мс) для инвертирования или насыщения слоя толщиной 10-15 см – область мечения, расположенная проксимальнее области сканирования. Адиабатические импульсы, как правило, используются для получения толстых инверсионных слоев с острыми углами [12]. Для техники PASL также нужно учитывать наличие MT-эффектов (эффекты переноса намагниченности), однако они значительно меньше выражены при сравнении с CASL. В первой версии PASL с использованием эхопланарной МР-томографии и сигнальной радиочастотной последовательности (EPISTAR) инверсия была выполнена дистальнее области сканирования в контрольной серии, что вызвало одинаковые эффекты намагниченности в маркированной и контрольной сериях. Затем Kwong et al. (1995) [60] и Kim et al. (1995) [58] независимо друг от друга предложили альтернативу этому асимметричному методу маркирования. Метод получил название “поток с переменной инверсией-восстановлением” (FAIR). При этом подходе маркирование осуществляется с использованием неизбирательного импульса инверсии, а в контрольной серии используется импульс селективного градиента. Симметричный характер этой методики автоматически компенсирует MT-эффекты. Разработаны различные методы маркирования, которые отличаются по расположению плоскости маркирования и выбору магнитно-маркированного состояния крови в контрольных и маркированных сериях [81,113]. Для большинства методов PASL эффективность маркирования превышает 95% [118].
Из-за несовершенства краевых зон маркирующих импульсов в PASL необходимо обеспечивать пространственный зазор между дистальным краем маркирующей области и плоскостью сканирования. Это приводит образованию задержки – время, за которое кровь проходит данный промежуток [12,118]. Эта задержка является локальной и неизвестной величиной и может вносить существенный вклад в TI. Ошибки, связанные с временем задержки, могут вызывать сложности количественного определения CBF методом PASL [118]. Были разработаны последовательности для снижения чувствительности ASL-перфузии к времени задержки – QUIPSS II (количественное отображение перфузии с использованием одного вычитания) и Q2TIPS (QUIPSS II с тонким Т1 срезом периодической сатурации) [79]. Разработано несколько модульных модификаций последовательностей для улучшения профиля маркирования (частотная коррекция инверсии со смещением (FOCI), скорость селективное возбуждение (VERSE)) и SNR (внутриплоскостная пресатурация или подавление фона) [118].
pCASL была введена в качестве промежуточной методики, которая позволяет проводить исследования с высоким SNR CASL и с более высокой эффективностью мечения PASL [120]. Этот метод, впервые разработанный Garcia и соавторами [81], использует последовательность дискретных РЧ-импульсов в сочетании с градиентной волной, воспроизводимой между двумя последовательными радиочастотными импульсами, для имитации адиабатической инверсии потока CASL, необходимой для маркирования спинов [120]. pCASL обеспечивает более низкое накопление радиочастотной энергии и низкие MT-эффекты по сравнению с CASL без использования специализированного оборудования. При различных условиях проведения pCASL может быть восприимчива к B0 гомогенности магнитного поля и вихревым токам [81].
Простота использования и минимизирование технических сложностей сделали pCASL более предпочтительной методикой при исследовании перфузии в клинике.
Общая характеристика клинических наблюдений
Всего для анализа было последовательно включено 280 пациентов, однако на этапе постобработки ASL-данных 17 пациентов были исключены из исследования. У 3-х пациентов ASL-перфузия была выполнена после внутривенного введения контрастного вещества и полученные данные являлись некорректными для последующей постобработки. У 10 пациентов определялось выраженное снижение показателя CBF (мозговой кровоток) с аномальным повышением перфузии в зонах смежного кровоснабжения бассейнов разных артерий. Данные изменения отмечались преимущественно у лиц пожилого возраста с признаками атеросклеротического поражения брахиоцефальных артерий по данным ультразвукового исследования и СКТ-ангиографии. У 4 пациентов определялось выраженное снижение кровотока в бассейне одной внутренней сонной артерии из-за неправильной укладки головы в катушке МР-томографа. Из-за неправильной укладки происходило пережатие артерии и, как следствие, снижение мозгового кровотока в зонах кровоснабжения данного сосуда (Рисунок 1).
Таким образом, в исследование было включено 253 пациента (118 мужчин и 135 женщин) в возрасте от 7 до 78 лет (средний возраст – 45±15 лет) с впервые выявленными глиальными опухолями супратенториальной локализации, проходивших диагностику и последующее лечение в НМИЦ нейрохирургии им. ак. Н.Н. Бурденко Минздрава России в период с 2011 по 2018 гг. Были определены следующие критерии включения:
1) наличие первично выявленной глиальной опухоли головного мозга;
2) супратенториальная локализация опухоли;
3) наличие последующей гистологической верификации;
4) отсутствие артефактов на перфузионных изображениях (псевдонепрерывная ASL-перфузия). Всем исследованным пациентам в последующем было выполнено хирургическое удаление опухолей или проведена стереотаксическая биопсия с постановкой гистологического диагноза и последующим химио-радиолечением.
В исследование были включены пациенты с глиомами головного мозга с различной гистологической природой в соответствии с критериями Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) 2016 года (Louis et al., 2007, дополнения 2016) (Таблица 2).
Из 253 пациентов с глиомами головного мозга у 65 были диагностированы глиомы низкой степени злокачественности (Grade I-II WHO), у 188 - глиомы высокой степени злокачественности (Grade III WHO – 68, Grade IV WHO – 120) (Таблица 3).
Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении со степенью злокачественности опухолей
В результате нашего исследования были получены максимальные значения кровотока (TBF) и максимальные нормализованные значения кровотока (nTBF) в глиомах различной степени злокачественности. Мы выявили значимые различия кровотока в глиомах низкой степени злокачественности (grade I+II) и глиомах высокой степени злокачественности (grade III+IV) (p 0,001), при этом злокачественные глиомы продемонстрировали более высокие значения кровотока. Полученные параметры TBF и нормализованного TBF представлены в Таблице 10.
При проведении ROC анализа были получены значения чувствительности и специфичности ASL-перфузии при дифференциальной диагностике глиом высокой и низкой степени злокачественности. Данные представлены в Таблице 11 и на Рисунке 3.
ASL-перфузия обладает высокими показателями чувствительности (85,1% для TBF (максимальный опухолевый кровоток), 80,9% для nTBF (нормализованные значения максимального опухолевого кровотока)) и специфичности (96,9% для TBF, 98,5% для nTBF) в дифференциальной диагностике глиом головного мозга. Пороговые значения кровотока составили 64 мл/100г/мин при использовании максимальных значений кровотока и 3,6 при использовании нормированных значений. AUC 0,95 при использовании значений максимального опухолевого кровотока и нормализованных значений.
В нашем исследовании мы выявили четкие различия кровотока в low- и high-grade глиомах (p 0,001) (Рисунок 4). Также прослеживается четкая корреляция между показателями TBF, а также nTBF, и степенью злокачественности опухоли: коэффициент корреляции по Спирмену для ненормализованных значений составил 0,7 (p 0,001), 95% доверительный интервал от 0,59 до 0,79. Для нормализованных значений коэффициент корреляции составил 0,68 (p 0,001), 95% доверительный интервал от 0,56 до 0,78.
Максимальные значения опухолевого кровотока (TBF) и нормализованные значения кровотока (nTBF) в группе low-grade глиом оказались более гомогенными (TBF = 31,77±14,46 мл/100г/мин; nTBF = 1.80±0,80) по сравнению с группой high-grade глиом (TBF = 153,64±93,13 мл/100г/мин; nTBF = 8,51±5,53).
Клинический пример №1. Женщина, 16 лет. Последние 4 года беспокоят головные боли преимущественно в правой височной области. Шесть месяцев назад была автоавария с последующей анте- и ретроградной амнезией. В связи с этим выполнила МР-исследование. На МР-изображениях определяется внутримозговое объемное образование, локализованное в правой лобной области, верхней и средней лобных извилинах. Образование имеет повышенный сигнал в режимах Т2 и Т2-FLAIR, пониженный в режиме Т1. После в/в введения контрастного вещества данных за его патологическое накопление получено не было. ASL-перфузия демонстрирует низкие показатели кровотока: TBF = 18,17 мл/100 г/мин. На основании клинико-рентгенологических данных был поставлен диагноз диффузная астроцитома правой лобной доли (Рисунок 5). Проведено удаление опухоли. Гистологический диагноз: диффузная астроцитома. вещества и низкие показатели опухолевого кровотока был поставлен диагноз диффузная астроцитома.
Клинический пример №2. Мужчина, 20 лет. Четыре года назад впервые развился приступ пароксизма утраты сознания с мышечными судорогами в конечностях. Подобная симптоматика повторялась с частотой 2-3 раза в сутки, частота приступов к моменту обследования достигла 5-7 раз в сутки. При проведении МРТ головного мозга в левой височной области определяется внутримозговое объемное образование, распространяющееся в левую лобную область и в область левого гиппокампа. После в/в введения контрастного вещества участков его патологического накопления в строме образования выявлено не было, в центральных отделах опухоли определяется расширенная и извитая средняя мозговая артерия. При проведении ASL-перфузии отмечается выраженное повышение опухолевого кровотока до 344,6 мл/100г/мин. Несмотря на отсутствие патологического контрастирования, учитывая данные кровотока, был поставлен диагноз глиома высокой степени злокачественности (Рисунок 6). Проведено удаление опухоли. Гистологический диагноз: анапластическая астроцитома.
Клинический пример №3. Мужчина, 44 года. Последние 2,5 месяца беспокоят головные боли, периодическое онемение в правой половине лица и правой руке. Проведенное МР-исследование выявило объемное образование левой лобно-височной области с участками некротических изменений в центральных отделах и выраженным патологическим контрастированием. ASL перфузия демонстрирует высокие показатели опухолевого кровотока (TBF = 207,8 мл/100г/мин). На основании клинико-рентгенологических данных был поставлен диагноз глиобластома (Рисунок 7). Проведено удаление опухоли.
Гистологический диагноз: глиобластома.
pСASL-перфузия при измерении максимально кровотока (TBF) и получении нормализованных показателей кровотока в опухолях (nTBF) показала высокую чувствительность и специфичность и может использоваться в дооперационной диагностике глиом головного мозга высокой и низкой степени злокачественности.
Кровоток между группами глиом Grade I и II достоверно не отличался (p 0,05). При этом мы выявили значимую разницу показателей TBF и nTBF в группах глиом GradeIII и GradeIV (p 0,001). Кровоток в группе глиобластом составил 171.08±93.30 мл/100г/мин при использовании значений TBF, 9.49±5.50 при использовании нормализованных значений кровотока (nTBF) и был значимо выше при сравнении с группой анапластических астроцитом (TBF – 122.85±85.09 мл/100г/мин, nTBF – 6.77±4.53) (Рисунок 8).
Тем не менее, проведенный ROC-анализ показал достаточно низкую информативность ASL-перфузии в дифференциальной диагностике глиом высокой степени злокачественности (Таблица 12, Рисунок 9).
Оценка опухолевого кровотока глиом головного мозга методом PCASL в сопоставлении с данными интраоперационной флуоресценции
При анализе данных метаболической интраоперационной флуоресценции и показателей опухолевого кровотока, измеряемого методом pCASL, у 66 пациентов мы выявили статистически значимую разницу TBF и nTBF между флуоресцирующими и нефлуоресцирующими глиомами (p 0,05). Максимальный и нормализованный опухолевый кровоток в группе флуоресцирующих глиом был значимо выше и составил 164,44±111,67 мл/100г/мин для TBF и 9,18±6,75 для nTBF. В группе нефлуоресцирующих глиом максимальный опухолевый кровоток составил 89,94±95,94 мл/100г/мин, нормализованные значения кровотока – 4,65±4,85. Данные кровотока исследуемых подгрупп представлены в Таблице 19, Рисунке 18.
Проведенный ROC-анализ продемонстрировал высокую информативность ASL-перфузии в прогнозировании интраоперационной флуоресценции и определении тактики хирургического лечения.
Специфичность данной методики составила 71,4% при использовании максимального и нормализованного опухолевого кровотока, чувствительность – 73,1% при использовании TBF и 76,9% при использовании nTBF. Пороговые значения максимального опухолевого кровотока составили 84,8 мл/100г/мин, нормализованные значения – 3,3. AUC составила 0,718 для TBF и 0,723 для nTBF (Таблица 20, Рисунок 19).
Клинический пример №1. Женщина, 61 год. Жалобы на эпизод нарушения речи (в виде невозможности произнесения слов), приступ самостоятельно прекратился. При проведении МР-исследования в левой лобной доле визуализируется внутримозговое объемное образование с участками некротических изменений в центральных отделах и интенсивным патологическим контрастированием преимущественно в периферических отделах опухоли. ASL перфузия выявила выраженное повышение опухолевого кровотока (TBF до 289,7 мл/100г/мин). На основании клинико-рентгенологических данных был поставлен диагноз глиобластома (Рисунок 20). Проведено удаление опухоли с использованием интраоперационной флуоресцентной диагностики.
Интраоперационно опухоль демонстрировала интенсивное свечение, что позволило удалить ее радикально (удалена вся видимая часть опухоли при сопоставлении предоперационного и раннего послеоперационного МР-исследований – режим T2-FLAIR и постконтрастные Т1 изображения). Гистологический диагноз: глиобластома NOS.
Клинический пример №2. Женщина, 32 года. Месяц назад развился единичный генерализованный эпилептический приступ в связи с чем было выполнено МР-исследование. При проведении МРТ головного мозга в правой лобной доле определяется внутримозговое объемное образование, гиперинтенсивное в режимах Т2 и Т2-FLAIR, гипоинтенсивное в режиме Т1. После в/в введения контрастного вещества визуализируются точечные участки его патологического накопления в строме опухоли. ASL-перфузия демонстрирует низкие показатели опухолевого кровотока (TBF до 58,51 мл/100г/мин). На основании клинико-рентгенологических данных был поставлен диагноз глиома высокой степени злокачественности (Рисунок 21). Проведено удаление опухоли с использованием интраоперационной флуоресцентной диагностики.
Интраоперационно опухоль демонстрировала слабое фокусное свечение, которого недостаточно для определения границ опухоли. Гистологический диагноз: Олигодендроглиома с участком анаплазии WHO grade III и с положительной ИГХ экспрессией IDH 1 (R132H).
В ранее проведенных исследованиях была выявлена значимая взаимосвязь между степенью злокачественности опухоли, характером ее патологического контрастирования и степенью интраоперационной флуоресценции [2-4]. Тем не менее, взаимосвязь между характером патологического контрастирования (отсутствие контрастирования, фокусное, диффузное, кольцевидное) и степенью флуоресценции глиом является достаточно слабой (rs=0,484), а определение степени злокачественности глиом на основании рутинных методов МР-диагностики имеет не всегда высокую точность. Также следует отметить, что визуальное определение характера контрастирования зависит от множества факторов, таких как напряженность магнитного поля используемого МР-томографа, дозировка и формула вводимого контрастного препарата, а также опыта врача-диагноста или нейрохирурга.
В нашем исследовании были получены пороговые значения максимального и нормализованного опухолевого кровотока, позволяющие прогнозировать наличие интраоперационной флуоресценции с высокими показателями чувствительности и специфичности. Подобных работ в доступной литературе мы не обнаружили.