МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ МР-ИЗОБРАЖЕНИЙ

МОЗГА

Пурвенис Н.А.

Морфометрия – измерение различных структурных элементов организма.Морфометрия является количественным методом оценкиизменений в структурах мозга при различныхпатологических процессах. С появлением методамагнитно-резонансной томографии (МРТ),обеспечивающего получение изображений с высокимконтрастом и пространственным разрешением, появиласьвозможность оценивать такие показатели как объемы иплощади структур мозга in vivo. МРТ поставляетинформацию в благоприятной для морфометрическойобработки форме (дискретный формат, возможностьполучения изображения в любой проекции), что являетсяодной из важных предпосылок для развитияморфометрического подхода в медицине.

По мерности определяемых параметров выделяют методы:1. Одномерные (линейные) – измерение

линейных размеров. 2. Двухмерные:

1. Планиметрия – измерение площадей. 2. Измерение формы – измерение углов,

кривизны и других параметров, не имеющих прямого отношения к размерам объектов, на плоских изображениях.

3. Трехмерные (волюметрические) –измерение объемов.

По способу выделения объекта измерения:

1. Ручные. 2. Полуавтоматические.3. Автоматические.

При ручном способе оператор (врач) сам выделяет наизображении необходимые объекты и проводит ихизмерения. При полуавтоматических способах операторвыбирает объекты, подлежащие измерению, а самиизмерения выполняет компьютер. При автоматическихспособах компьютер выбирает объекты, определяет ихграницы и проводит измерения в соответствии сзаданной оператором программой. При примененииполуавтоматических и автоматических методовпроведению измерений обычно предшествуетсегментация изображения.

Параметры визуализации Наиболее популярным и устоявшимся протоколом дляморфометрических исследований в коронарной проекции снекоторыми вариациями у различных авторов являетсяиспользование Т1-взвешенных изображений, получаемых спомощью импульсной последовательности на основеградиентного эха.

• использование трехмерного Фурье-преобразования при реконструкции изображения;

• короткие TR - порядка 10-25 мс; • короткие ТЕ - порядка 4-6 мс; • малые углы поворота макроскопической намагниченности

объекта - порядка 8о–25о;• использование матрицы изображения размерностью 256х256

мм;• достаточно малые размеры воксела - от 1х1х1 до 1х1х3 мм

(толщина среза - от 1 до 3 мм).

Для оценки состояния гиппокампальных структуробычно используется следующий режим – Т1-взвешенные изображения в косой коронарнойпроекции (рис. 1,2), полученные с помощьюградиентной трехмерной методики высокогоразрешения SP GEFI 3D (TR=26.5 мс, TE=7 мс,толщина среза 2,5 мм, flip angle 35o, NEX – 4,размер воксела 0,059х0,059х0,25 см). Модификацияисходной импульсной последовательности SP GEFI3D, реализованная на томографе Tomikon S50, былаусовершенствована сотрудниками ЦМТС МГУ иадаптирована специально для исследованийпарагиппокампальной и гиппокампальной областейтаким образом, чтобы получать Т1-взвешенныеизображения высокого пространственногоразрешения с максимальным контрастом серого ибелого вещества мозга.

Рис. 1. Т1-взвешенное изображение в сагиттальной проекции,служившее опорным кадром для ориентации срезов на рисунке 3.Белым контуром показан гиппокамп (Hyp); пакет срезов (показанбирюзовым цветом) ориентирован перпендикулярно линии (H-H’),проходящей вдоль длинной оси гиппокампа.

Рис.2. Т1-взвешенные изображения в косой коронарной проекции,полученные с помощью градиентной трехмерной методики высокогоразрешения SP GEFI 3D.

Обработка и анализ изображений Изображения обрабатывались одним исследователем с помощью программного пакета ImageJ (версия 1.34s, Wayne Rasband, National Institutes of Health, USA). ImageJ (рис. 3) позволяет работать с «сырыми» изображениями, полученными с рабочей станции томографа без предварительной обработки.

Рис.3. Программный пакет ImageJ.

Сегментация анатомических структур

• Лобные доли в коронарной проекции.Из измерения исключаются боковые желудочки,базальные ганглии и таламус.Измерение начинается при появлении веществамозга в корональной проекции (лобный полюс).При появлении мозолистого тела, соединяющегоправое и левое полушария, граница между долямипроводится вертикально по продольной щелимозга. При появлении на срезе ствола мозга,нижняя граница проводится по линии,соединяющей левую и правую височные доли.

• Лобные доли в аксиальной проекции.Измерение начинается с лобного полюса, границей с теменной долей является центральная борозда (рис. 4).

Рис.4. Лобные доли в аксиальной проекции ( по Woo SukTae, MS, 2006)

• Боковые желудочки.Сегментация боковых желудочков проводилась на Т1- взвешенных

изображениях в коронарной проекции. Первыми на изображенияхпоявляются передние рога боковых желудочков, залегающие в толщелобных долей (рис. 5). Далее передние рога переходят в центральныечасти боковых желудочков (рис. 6). Нижнюю стенку центральной частиобразует хвостатое ядро и таламус, верхней стенкой служит теменнаячасть лучистости мозолистого тела, медиальной границей является телосвода. Далее центральные части переходят в задние (затылочные) рога,которые располагаются в области затылочных долей (рис. 6).

Контуры затылочных рогов на некоторых срезах выглядят несколькоразмыто из-за попадания в срез внутрижелудочковых сосудистыхсплетений. В этих зонах интенсивность сигнала выше, чем от ликвора,но ниже, чем интенсивность сигнала от вещества мозга. Контуржелудочков проводился по границе зон с промежуточным сигналом изон с сигналом от вещества мозга. Такое определение контуровнесомненно вносит ошибку в измерение объемов желудочков, но онаносит системный характер, т.к. данная методика используется для всехиспытуемых.

Рис. 5. Передние рога боковых желудочков

Рис. 6. Центральные части и задние рога боковых желудочков

Рис.7 Височные рога боковых желудочков

• Височные рога боковых желудочков.Сегментация височных рогов боковых желудочков (рис. 7)проводилась на Т1- взвешенных изображениях в коронарнойпроекции. Височные рога боковых желудочков залегают в толщевисочных долей. Латеральной стенкой является вещество височнойдоли, верхнее-медиальной – миндалевидное тело, а на более позднихсрезах – гиппокамп. Измерения проводились в тех случаях, когдависочные рога определялись как структуры с ликворным сигналом(темные). Зоны с промежуточной интенсивностью сигнала неучитывались.

• III желудочек.Сегментация III желудочка (рис. 8) проводилась на Т1 взвешенныхизображениях в коронарной проекции. Боковые стенки желудочкаобразованы таламусами, верхняя – ножками свода, нижнейстенкой служили образования гипоталамуса. В задних отделах IIIжелудочек разделялся на две части межталамическим сращением.Измерение прекращалось при появлении шишковидного тела.

Рис.7 III желудочек

• Сегментация миндалин (рис. 8) проводилась на Т1-взвешенных изображениях в коронарной проекции.Миндалины располагаются в височных долях. Измерениеначиналось при появлении массы серого веществаокруглой формы, отграниченной медиально и снизуполоской белого вещества. Латеральной границей служилтракт белого вещества. При определении верхней границывозникали трудности при отделении миндалины от корывисочной доли, т.к. четкой границы между этимиструктурами нет. Контур проводился с учетом толщиныкоры. Т.к. миндалины не имеют четкой границы сгиппокампами, то возникли сложности с отделением ихдруг от друга. Последним учитывался срез, где еще виднысосцевидные тела. Здесь миндалины располагаются вышежелоба гиппокампа и латеральные его головки. Еслижелоб гиппокампа четко не визуализировался, тоиспользовался височный рог бокового желудочка. Приопределении границ миндалины на последних срезахисключались находящиеся рядом хвост хвостатого ядра,скорлупа и бледный шар.

• Сегментация гиппокампов (рис. 8) проводилась на Т1- взвешенныхизображениях в коронарной проекции. Первым учитывался срез, вкотором появлялся III желудочек. Последним учитывался срез, вкотором четко был виден свод. Нижней границей служило белоевещество парагиппокампальной извилины, верхней границей служилжелоб гиппокампа. Медиальной границей был височный рог боковогожелудочка, если височный рог не визуализировался, то границейслужило белое вещество височной доли

Рис.8 Миндалины и гиппокампы: 1 – миндалины; 2 – гиппокампы

• Сегментация хвостатых ядер (рис. 9) проводилась на Т1-взвешенных изображениях в коронарной проекции.Хвостатые ядра представляют собой скопления массы сероговещества, расположенные латеральнее боковых желудочков(их верхне-медиальные границы образуют латеральныестенки боковых желудочков). Нижне-латеральную границухвостатого ядра образует внутренняя капсула. Таким образом,определение нижне-латеральной и верхне-медиальной границне представляло труда, т.к. контраст между серым и белымвеществом, и контраст между серым веществом и ликворомдостаточно высок. При определении нижней границывозникли некоторые сложности: снизу к хвостатому ядруприлежит nucleus accumbens, которое относится квентральному стриатуму. Nucleus accumbens не имеет четкойграницы с хвостатым ядром, они тесно связаныфункционально. Поэтому nucleus accumbens включалось визмерение как часть хвостатого ядра. Измерение начиналосьпри появлении на изображениях серой массы, четкоотличимой от белого вещества. Измерение проводилось дотех пор, пока масса хвостатого ядра не сходила на нет.

• Сегментация скорлупы (рис. 9) проводилась наТ1- взвешенных изображениях в коронарнойпроекции. Скорлупа является латеральной частьючечевицеобразного ядра. Латеральной границейявляется наружная капсула, верхне-медиальнойграницей служит внутренняя капсула, нижне-медиальной границей является бледный шар.Контраст между сигналами от скорлупы и отбледного шара не очень высокий, но скорлупавыглядит несколько темнее. Отделить скорлупуот бледного шара помогает также полоска белоговещества между ними – медиальная мозговаяпластинка. Измерение начиналось при появлениина изображениях массы серого вещества,расположенной ниже и латеральнее внутреннейкапсулы, а заканчивалось, когда масса скорлупысходила на нет.

Рис.9 Хвостатые ядра (3) и скорлупа (4)

• Сегментация таламуса (рис. 10) проводилась на Т1- взвешенныхизображениях в коронарной проекции. Таламус представляет собой массусерого вещества неправильно-яйцевидной формы. Латеральную границуобразует внутренняя капсула, медиальная сторона обращена в полость IIIжелудочка, сверху таламус ограничен сводом и боковым желудочком.Определение нижней границы несколько затруднено из-за прилегающихножек мозга, интенсивность сигнала которых практически не отличалась отинтенсивности сигнала таламуса. В месте межталамического сращенияпроводилась вертикальная линия для разделения правого и левого таламусов.Измерение начиналось при появлении четко визуализируемой массы сероговещества латеральнее III желудочка и заканчивалось при исчезновении даннойструктуры.

Рис.10 Правый и левый таламусы

• Планиметрические морфометрические показатели - площади(рис. 11).

Площадь мозолистого тела (5). Площадь IV желудочка (6). Площадь коры больших полушарий (7). Площадь ствола мозга (8).

• Площади измерялись на срединном сагиттальном срезе.

Рис.11 Планиметрические морфометрические показатели

• Линейные морфометрические показатели. Ширина III желудочка (измерялась на уровне

межжелудочковой щели, соединяющей IIIжелудочек с боковыми желудочками).

Расстояние между верхушками переднихрогов (измерялось на том же срезе, где иширина III желудочка).

Максимальный поперечный размерполушарий мозга.

Минимальное расстояние между наружнымистенками центральных отделов боковыхжелудочков.

• Индексы. Индекс Эванса – передних рогов (отношение

расстояния между верхушками переднихрогов к максимальному поперечному размеруполушарий мозга).

Индекс центральных отделов боковыхжелудочков (отношение минимальногорасстояния между наружными стенкамицентральных отделов боковых желудочков кмаксимальному поперечному размеруполушарий мозга).

Отношение площади мозолистого тела кплощади коры больших полушарий.

Пациент 1, 26 лет:• При визуальном анализе изображений можно предположить атрофию

правого гиппокампа из-за особенностей его формы, а также из-зарасширенного височного рога справа. Однако, при измерении объемовгиппокампов атрофию выявить не удалось.

• При измерении объемов миндалин и боковых желудочков былавыявлена асимметрия, которую невозможно определить привизуальном анализе.

• Измерение объемов височных рогов боковых желудочков подтвердилозначительную их асимметрию.

Асимметрия, %

гиппокампы 3 (S>D)

миндалины 14 (D>S)

височные рога 56 (D>S)

боковые желудочки 37 (S>D)

Таблица 1: Асимметрия объемных показателей головного мозга

Рис.12 Правый и левый гиппокампы (асимметрия 3%, S>D)

Рис.13 Правая и левая миндалины (асимметрия 14%, D>S)

Рис.14 Асимметрия височных рогов боковых желудочков мозга(асимметрия 56%, D>S)

Рис.15 Асимметрия боковых желудочков мозга (асимметрия 37%, S>D)

Атрофия гиппокампов у больных шизофренией по сравнению с контрольной группой

• При визуальном анализе не представляется возможнымопределить атрофию гиппокампов у больныхшизофренией. Морфометрический анализ позволяетоценить уменьшение их объемов по сравнению сконтрольной группой (здоровые испытуемые), а такжевыявить асимметрию правого и левого гиппокампов.

Объем гиппокампов,

мм3Котроль Пациент Атрофия, %

правый 3059 2607 14

левый 3019 2036 32

Таблица 2: Атрофия гиппокампов у больных шизофренией по сравнению с контрольной группой

Атрофия гиппокампов у больных шизофренией по

сравнению с контрольной группой

Рис.16 Правый и левый гиппокампы испытуемого из контрольной группы

Рис.17 Правый и левый гиппокампы испытуемого из группы пациентов

32

Изменение объема структур мозга при шизофрении

33

Картирование дефицита белого вещества мозга при аутизме