Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 15
1.1. Магнитно-резонансная спектроскопия 15
1.2. Физические аспекты и метаболиты МР-спектроскопии 21
1.2.1. N-ацетиласпартат 21
1.2.2. Холин 22
1.2.3. Креатин 23
1.3. Биологическое поведение глиальной опухоли 24
1.4. Глиомы (I-й степени злокачественности) 25
1.5. Глиомы (II-й степени злокачественности) 26
1.6. Глиомы (III-й степени злокачественности или анапластические астроцитомы) 28
1.7. Глиомы (IV-й степени злокачественности или глиобластомы) 29
1.8. Ограничения магнитно-резонансной спектроскопии 30
1.9. Использование магнитно-резонансной спектроскопии в нейрохирургии. 32
Глава II. Общая характеристика клинических наблюдений и методика исследований 34
2.1 Общая характеристика наблюдений 34
2.2 Характеристика методов исследования больных 37
2.3 Построение спектральных карт метаболитов и спектров на обрабатывающей станции. 40
2.4 Статистическая обработка полученных данных 43
Глава III. 3D МРС у здоровых добровольцев (20 человек). 44
Глава IV. 3D МРС в диагностике глиом головного мозга 49
4.1 Диффузные астроцитомы (WHO Grade II) 54
4.2 Анапластические астроцитомы (WHO Grade III) 58
4.3 Анапластические Олигодендроглиомы (WHO Grade III). 65
4.4 Глиобластомы (WHO Grade IV). 70
Глава V. 3D МРС визуально неизмененного вещества мозга у пациентов с глиальными опухолями головного мозга . 77
Заключение и обсуждение полученных данных 81
Выводы. 90
Практические рекомендации 92
Список сокращений 93
Список литературы 96
- Магнитно-резонансная спектроскопия
- 3D МРС у здоровых добровольцев (20 человек).
- Анапластические астроцитомы (WHO Grade III)
- 3D МРС визуально неизмененного вещества мозга у пациентов с глиальными опухолями головного мозга
Магнитно-резонансная спектроскопия
Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) является одним из методов МРТ, которые играют важную роль в определении типов и классов многих опухолей головного мозга, особенно в определении степени злокачественности глиом in vivo. Начиная с 90-х годов прошлого столетия магнитно-резонансная томография с контрастным усилением, применяется в оценке степени злокачественности глиом [2], однако в дифференциальной диагностике глиом низкой и высокой степени злокачественности иногда наблюдаются ошибки классификации степени анаплазии [116; 96]. Существует мнение, что протонная МРС (Н1 МРС), являющаяся неинвазивным, бесконтрастным методом визуализации метаболических свойств тканей мозга, дает дополнительную к анатомии функциональную информацию, на основе которой можно провести альтернативную оценку степени злокачественности глиальной опухоли [3, 4]. В большинстве работ, которые можно найти в интернете по этому вопросу, представлены результаты, полученные с помощью одновоксельной (SV) [13, 20, 22] или мультивоксельной 2D МР спектроскопии [126, 142]. Эти методики МРС позволяют получить данные о2D составе метаболитов мозговой ткани либо для отдельного объема, либо для нескольких объемов в отдельном слое мозговой ткани. И это один из существенных недостатков этих методов.
В основе МРС лежит обнаружение метаболитов путем измерения спектров конкретных изотопов, например, 1H, 13C или 31P. Концентрации метаболитов относительно стабильны для каждой конкретной «здоровой» ткани, но они могут сдвигаться из-за нарушений обмена веществ при патологических состояниях. Из-за своей неинвазивной и безопасной природы, МРС имеет большое преимущество у пациентов с глиомами головного мозга, особенно если есть определенные противопоказания для хирургического вмешательства или значительный риск из-за локализации опухоли в труднодоступных для хирургии областях, или сопутствующие заболевания пациентов. Обычная визуализация in vivo МРС использует измерение сигналов, испускаемых ядрами протонов (1H) из-за их высокой магнитной чувствительности и присутствия во всех тканях человеческого тела.
Результатом исследования МРС является спектр, который можно визуализировать в виде графика интенсивности сигнала относительно его частоты. Протонные сигналы разных метаболитов или даже разных протонов одной молекулы могут наблюдаться в разных положениях (частотах) в спектре МР. Сдвиг пиков в их отношении друг к другу на оси частот известен как химический сдвиг. Вместо частотной шкалы, которая зависит от напряженности магнитного поля, шкала «частей на миллион» или «ppm» обычно используется для описания положения спектральных пиков на оси x.
Каждый метаболит имеет характерный набор значений химического сдвига в своих сигналах. С другой стороны, концентрация каждого метаболита связана с соответствующей амплитудой сигнала, то есть площадью под соответствующей спектральной кривой МРС. MР-спектр может быть получен двумя различными спектроскопическими методами, которые различаются в зависимости от измеряемого объема выборки, называемого вокселем или интересующим объемом (VOI). Спектроскопия с одним вокселем (SVS) использует один четко определенный элемент объема кубической формы (воксел), который должен быть отобран при МРС. С другой стороны, мультивоксельная спектроскопия получает несколько МР спектров одновременно из нескольких смежных пространственных областей. Этот метод иногда называют магнитно-резонансной спектроскопической визуализацией (MRSI) или химическим сдвигом (CSI).
Человеческий мозг представляет собой сложную структуру, состоящую из большого количества различных метаболитов, но только часть из них может быть измерена (изучена) с помощью рутинно используемых методов визуализации. Метаболиты, которые могут быть идентифицированы на стандартном протонном МР-спектре головного мозга, включают N ацетиласпартат (NAA), N-ацетиласпартилглутамат (NAAG), гамма аминомасляную кислоту (GABA), аспартат (Asp), глицин (Gly), холин (Cho), креатин (Cr), фосфокреатин (PCr), глутамат (Glu), глутамин (Gln), мио-инозит (mIn), таурин (Tau), лактат (Lac), глюкоза (Glc), аланин (Ala), фенилаланин (Phe), гистидин (His), липиды (Lip) и ацетат (Ас).
Тем не менее, некоторые из них (такие как GABA, Asp, Gly, Glc, Ala, Phe, His) обычно не могут быть надежно определены количественно, или их обнаружение требует специальной настройки измерения, не применимой на клинических МР-сканерах. Таким образом, только некоторые из указанных метаболитов могут быть количественно определены в клинической МРС и таким образом имеют практическое значение в диагностике глиом. Из них можно выделить такие, как NАА, Cho, Cr, Lac и Lip. Мозг является гетерогенным органом, который состоит из разных областей с различными структурами и функциями. В связи с этим, концентрация метаболитов у здоровых людей варьирует в зависимости от возраста и выбранной области и измерения нормального мозга человека [91]. Кроме того, наличие общей биологической вариабельности среди людей может приводить к различиям в концентрациях метаболитов в одних и тех же областях мозга у разных субъектов.
Спектральная количественная характеризация тканей с оценкой абсолютной концентрации метаболитов является на сегодняшний день скорее всего технической проблемой, которая имеет некоторые специфические предпосылки, и ее реализация in-vivo подвержена потенциальным ошибкам. По мнению многих авторов в большинстве случаев сопоставимые показатели чувствительности и специфичности МРС могут быть достигнуты при использовании соотношений метаболитов (например, соотношений Cho/Cr или NAA/Cr) вместо их абсолютных концентраций [8]. Это обстоятельство существенно облегчает задачи технического воплощения метода 3D МРС в клиническую практику.
3D МРС у здоровых добровольцев (20 человек).
Обследовано 20 добровольцев в возрасте от 15 до 55 лет без органической патологии головного мозга лет (средний возраст 39,7 лет). Исследования проводились на магнитно-резонансном томографе Signa HDxt 3.0T (GE, Healthcare) с использованием головной 8-канальной катушки.
Сетка вокселов, выставленная в зоне интереса, включала в себя структуры как серого, так и белого вещества головного мозга (Рисунок 4).
Измерения проводили в участках мозга, представляющих интерес для нашего исследования, а именно, в структурах белого вещества мозга (колено, валик, тело мозолистого тела, лобное и теменное белое вещество) и серого вещества головного мозга (височная область, таламус и скорлупа). Измерения проводились на вокселах правого и левого полушарий головного мозга. Для отдельных вокселов, содержащих белое или серое вещество мозга, получены МР-спектры и проведена оценка индексов основных исследуемых метаболитов, к которым мы относили NAA - N-ацетиласпартат, Cho – холин, Сr – креатин. При этом мы оценивали отношения основных метаболитов между собой: Cho/NAA; Cho/Cr; NAA/Cr.
Результатом спектроскопии является спектр, представляющий собой кривую из пиков метаболитов, каждый из которых имеет строго определенное значение резонансной частоты, что отражается в четкой локализации пиков вдоль шкалы относительных резонансных частот, значения которой принято считать в миллионных долях (ppm) [123].
Для различных вокселов, содержащих белое и серое вещество больших полушарий проведена оценка соотношений пиков основных метаболитов. На Рисунке 5 сопоставлены значения отношений основных метаболитов мозга в структурах белого и серого вещества мозга в обоих полушариях.
В белом веществе лобной и теменной области статистически значимых отличий между отношениями всех метаболитов не выявлено. Однако в области колена отношение NAA/Cr = 2,00+/-0,43 оказалось значимо ниже, чем в валике (2,77+/-0,75) и теле (2,48+/-0,37) мозолистого тела (p 0,05), а также ниже, чем в белом веществе лобной и теменной области (2,59+/-0,45 - 2,89+/-0,65). Вероятнее всего это связано с тем, что в колене мозолистого тела содержатся волокна малого диаметра, а по направлению к валику мозолистого тела их диаметр увеличивается [148].
В различных анатомических структурах, содержащих серое вещество, статистически значимых отличий отношений основных метаболитов не обнаружено (p 0,05), хотя в височных долях отношение Cho/Cr было выше, чем в скорлупе (p=0,05).
Значимых межполушарных отличий отношений метаболитов серого вещества головного мозга Cho/NAA; Cho/Cr; NAA/Cr не выявлено (p 0,05).
Объединенные по всем отделам неизмененного серого и белого вещества двух полушарий головного мозга средние значения соотношений основных метаболитов представлены в Таблице 3.
Обсуждение результатов: Оказалось, что между серым и белым веществом мозга наблюдаются статистически значимые отличия. Так показатель NAA/Cr в белом веществе был на 40% выше, чем в сером (2.56+/-0.55 и 1.73+/-0.31). В целом эта тенденция сохраняется и для показателей Cho/Cr Cho/NAA, но в меньшей степени.
Это, в целом, согласуется с данными других исследователей, подтверждающими факт высокой концентрации NAA-ацетиласпартата в белом веществе мозга [126]. Содержание Cr в белом веществе было стабильно (p 0.05). Уровень Cr во всех отделах серого вещества оказался выше, чем в белом веществе. Гендерных и межполушарных отличий выявлено не было. Содержание Сho в сером веществе было ниже содержания этого метаболита в белом веществе. В работе M. Srtomillo et al (2013) методом 2D МРС получены значения отношения NAA/Cr = 3,1.+/-0,2 в подкорковом белом веществе и 2,4+/-0,1 в сером веществе коры в группе добровольцев (n=20) [150]. S.Sivak et al. (2010) для группы добровольцев (n=11) приводит значение NAA/Cr =1,80+/-0,13 в левой височной доле, и 1,90+/-0,18 и 2,08+/-0,21, в правой и левой областях прецентральной извилины. В работе Donadieu M et al (2016) для неизмененного белого вещества содержание NAA и Cho составило 10.0+/-0.68мм и 4.30+/-0.60, соответственно. При этом отношение NAA/Cr составило 2,33 [144].
Таким образом полученные нами данные, в целом, согласуются с результатами работ, проведенных ранее другими исследователями. Это позволяет нам сделать вывод о высокой сопоставимости результатов, полученных методами 2D и 3D 1Н-МРС и рекомендовать последнюю как более информативную методику за счет ее основных преимуществ в охвате анатомического пространства за клинически адекватное время сканирования.
Анапластические астроцитомы (WHO Grade III)
Анапластические астроцитомы, являются глиальными опухолями высокой степени злокачественности, обозначаются как глиальные опухоли головного мозга WHO Grade III. Данный тип опухоли является «пограничным» между диффузной астроцитомой Grade II и глиобластомой Grade IV.
Спектры и анатомические изображения разных отделов анапластической астроцитомы представлены на рис. 9.
В анапластических астроцитомах, по сравнению с астроцитомами низкой степени злокачественности, отмечается увеличение пика Cho, более выраженное снижение пика NAA. Это заметно меняет показатели соотношений основных метаболитов. Разница становятся более выраженной. При измерениях в нашей серии соотношение Cho/Cr в разных участках опухолевой структуры значительно различалось. Средние значения отношений этих метаболитов в областях с высоким уровнем анаплазии (в частности в участках патологического контрастирования) были значительно выше, чем в областях с низким уровнем анаплазии (p 0,05).
Соотношения метаболитов в анапластических астроцитомах и в неизмененном веществе головного мозга контрлатерального полушария представлены в Таблице 9.
Для пациентов с анапластическими астроцитомами (Рисунок 10) определялись следующие индексы основных метаболитов: Cho/Cr 2.61±1.37, Cho/NAA 3.68±2.62, NAA/Cr 0.78±2.47.
Значительные различия также наблюдались в соотношениях NAA/Cr, Cho/Cr между анапластическими астроцитомами и неизмененным веществом противоположного полушария (p 0,05).
Для сравнения анапластических астроцитом Grade III с диффузными астроцитомами Grade II был проведен ROC-анализ.
Специфичность метода 3D протонной МР-спектроскопии в дифференциальной диагностике анапластических глиом Grade III и диффузных глиом Grade II составила 70% при использовании Cho/NAA и 81.0% при использовании Cho/Cr. Чувствительность 66,7% для показателей Cho/NAA и 40% для Cho/Cr. Для NAA/Cr чувствительность и специфичность составили 66.7%. Пороговые значения для Cho/Cr – 3.1, NAA/Cr – 1.2, Cho/NAA – 1.7. Значения AUC, составляющие 0,678 для NAA/Cr, 0,688 для Cho/NAA и 0,595 для Cho/Cr являются умеренно высокими, но явно недостаточными для применения данной технологии в дифференциальной диагностике астроцитом высокой (Grade III) и низкой (Grade II) степени злокачественности (Таблица 10).
При увеличении степени злокачественности глиальных новообразований отмечается значительное изменение показателей основных метаболитов. Для глиальных новообразований высокой степени злокачественности характерно резкое повышение пика Сho и регресс пика NAA (Рисунок 13) [161].
Как и при новообразованиях с низкой степенью анаплазии глиального ряда, при глиомах высокой степени злокачественности отмечается изменение индексов основных метаболитов опухолевого роста, однако при глиомах высокой степени анаплазии это соотношение существенно выше, чем при глиомах низкой степени анаплазии - соответственно происходит и увеличение индекса Cho/Cr 3.41, Cho/NAA 3.94, NAA/Cr 0.95.
В визуально неизмененном белом веществе противоположного полушария головного мозга индексы составили - Cho/Cr 0.82, Cho/NAA 0.43, NAA/Cr 2.06. Еще одной особенностью выявления глиом высокой степени злокачественности является наличие некротических участков в структуре ткани, поэтому нередко мы видели пик Lip/Lac комплекса в МР-спектрах. Пик Lac при глиомах высокой степени злокачественности был высоким, в то время как при глиомах низкой степени злокачественности пик Lac практически не определялся.
3D МРС визуально неизмененного вещества мозга у пациентов с глиальными опухолями головного мозга
В нашей работе были проведены сравнения показателей основных метаболитов, полученных в визуально неизмененном веществе головного мозга у пациентов с глиальными опухолями с данными, полученными в ходе исследования у здоровых добровольцев. По нашим данным отмечаются значимые отличия для показателя Cho/Cr между группой здоровых добровольцев и группами пациентов с глиальными опухолями различной степени злокачественности (p 0.03). На Рисунке 23 представлены распределения значений Cho/Cr в группах глиом различной степени злокачественности (А) и неизмененном веществе контралатерального полушария (Б) в сравнении с контрольной группой здоровых добровольцев. Отмечается повышение показателя Cho/Cr в группах (Grade II-IV), однако в группе глиом высокой степени злокачественности этот показатель был выше, по сравнению с глиомами высокой степени злокачественности. При оценке неизмененного вещества противоположного полушария отмечалось снижение показателя Cho/Cr относительно контрольной группы.
В противоположном полушарии пациентов с глиальными опухолями головного мозга данный показатель превышает (р 0.07) значения контрольной группы здоровых добровольцев, что свидетельствует о превышении концентрации холина в неизменном веществе мозга пациентов с глиальными опухолями.
Параметр NAA/Cr в веществе противоположного полушария группы пациентов с глиомами, по нашим полученным данным, значимо (р=0.67) не зависит от степени злокачественности опухоли (Рисунок 25).
Таким образом, результаты 3D МРС свидетельствуют о нарушении метаболических процессов в мозговой ткани не только в зоне глиомы и в перитуморальной ткани, но и в неизмененной на вид мозговой ткани контралатерального опухоли полушария головного мозга. В веществе мозга противоположного глиальной опухоли полушария для отношения Сho/Cr получены более низкие значения (р=0,07), компактно расположенные вокруг медиан (Рисунок 23): 0,8 и 0,81 для глиом низкой и высокой степени злокачественности, соответственно. В мозговом веществе добровольцев разброс значений этого отношения метаболитов оказался вдвое больше, чем в группе больных. У пациентов с глиомами повышение концентрации Cho на стороне опухоли и снижение присутствия Cho в противоположном опухоли полушарии. Высокий разброс отношений, полученный в мозговом веществе противоположного опухоли полушария возможно связан с расположением вокселов нормального на вид вещества мозга на противоположной опухоли стороне близко к краю сетки вокселов области интереса и влиянием краевых эффектов (шум, сдвиг частот) на измеряемые величины.
Измеренные отношения Cho/NAA в группе добровольцев были компактно расположенными относительно медианы, которая оказалась п значимо (р 0,001) ниже, по сравнению с аналогичными показателями в противоположном опухоли полушарии. В области опухоли значимых групповых отличий в отношениях Сho/ NAA выявлено не было. Этот факт может указывать на некоторое снижение присутствия NAA в веществе всего мозга у больных с глиальными опухолями из-за происходящих нарушений метаболизма при появлении глиом. В опухолевой ткани снижение NAA происходит медленнее, по сравнению с повышением уровня холина в ткани.
Измерение отношение NAA/Cr в неизмененном веществе мозга контралатерального полушария не выявило значимых отличий этого показателя в группах пациентов с глиомами и добровольцев.
Вопросы о нарушении метаболизма в веществе всего мозга у больных с глиомами стали возникать при использовании высокопольной МРТ (3.0Т и выше) и новых диагностических технологий, таких как 3D МРС, перфузионная КТ/МРТ, куртозисная МРТ, ответы появятся в результате дальнейших исследований [1, 3, 10, 11].