Научные работы

Cтатьи

И. Н. Пронин, В. Н. Корниенко, Л. М. Фадеева, П. В. Родионов, А. В. Голанов

"Диффузионно-взвешенные изображения в исследовании опухолей головного мозга и перитуморального отека"

НИИ нейрохирургии им. акад. Н. Н. Бурденко РАМН, Москва

Исследована информативность метода диффузионно-взвешенных МР-изображений (ДВИ) и диффузионных карт в диагностике супратенториальных опухолей головного мозга. Было обследовано 64 пациента, из них 35 с глиальными новообразованиями головного мозга различной степени злокачественности (доброкачественные астроцитомы (АСЦ) - 15, анапластичсские АСЦ - 10, глиобластомы - 10), 15 больных с менингиомами, 5 - с гидроцефалией и 9 - с нарушением мозгового кровообращения. Для получения ДВИ использовалась диффузионно-взвешенная эхо-планарная импульсная последовательность. Для фибриллярных астроцитом значения ИКД были в пределах (1,52 + 0,34) o 10-3 мм2/с. В группе анапластических АСЦ отмечены колебания значений ИКД: в контрастируемой части опухоли ИКД был больше, чем в неконтрастируемой области АСЦ, составляя в среднем (1,23 + 0,32) o 10-3 мм2/с. Глиобластомы также характеризовались большой гетерогенностью ИКД при средних значениях (1,18 + 0,29)- IO-3 мм2/с. Менингиомы имели повышенный МР-сигнал на ДВИ и низкие значения ИКД (0,97 + 0,17) o 10-3 мм2/с). Особое внимание уделялось изучению различных типов отека головного мозга. Значения ИКД в зоне вазогенного (перитуморального), цитотоксического (ишемического) и интерстициального отека составили соответственно 1,30 + 0,11o10-3, 1,04 + 0,05o10-3 и 1,91 + 0,1o10-3 мм2/с (р < 0,05) и четко разграничивались на ИКД-картах.

В 1950 г. Е. L. Hahn открыл влияние процесса диффузии молекул воды на МР-сигнал в импульсной последовательности спинового эха [4], а в 1965 г. Е. Stejskal и соавт. [6] модифицировали эту импульсную последовательность (ИП SE) для получения изображений, взвешенных по диффузионному коэффициенту. С этого времени начались исследования по применению диффузионно-взвешенных изображений (ДВИ) в диагностике заболеваний головного мозга. При этом использование ДВИ в клинической практике МРТ стало возможным только в последние годы благодаря появлению сверхбыстрых импульсных последовательностей (ИП). Наиболее широко в настоящее время ДВИ используются в диагностике ишемических заболеваний головного мозга, являясь единственным визуа-лизирующим методом, позволяющим определить очаг повреждения ткани в сверхострой стадии (до 6 ч) ишемического инсульта головного мозга [2, 3, 8]. Сообщения о применении ДВИ в диагностике новообразований головного мозга единичны, и в них идет дискуссия о возможности отличия солидного компонента, накапливающего контрастное вещество (KB), от части опухоли, не накапливающей KB (зона инфильтрации), и от перитуморального отека [5, 7, 9]. Цель исследования - оценить информативности метода ДВИ и диффузионных карт в диагностике новообразований головного мозга и различных типов отека.

Материал и методы

В реальной биологической среде свободному движению протонов препятствуют естественные барьеры: клеточные мембраны, большие белковые молекулы, на которые с течением времени могут наталкиваться диффундирующие частицы, что приводит к затуханию МР-сигнала. Поэтому на практике вычисляют величину так называемого измеряемого коэффициента диффузии (ИКД - apparent diffusion coefficient (ADC)) [6], который по величине меньше диффузионного коэффициента вещества в неограниченной среде. ИКД определяется по формуле: ИКД = -ln(S/S0)/b. где S0, S - интенсивность МР-сигнала (ИС) без и при действии диффузионных градиентов (ДГ); b соответственно - фактор диффузии. Для того чтобы исключить анизотропию диффузионного коэффициента, для количественной оценки ИКД ткани используется среднее значение диагональных элементов диффузионного тензора (след тензора): ИКДii = 1/3 (ИКДxx + ИКДyy + ИКДzz) где ИКДii - величины ИКД, измеренные при действии ДГ в трех ортогональных направлениях x, y и z соответственно. Было обследовано 64 пациента, из них 35 с глиальными новообразованиями головного мозга различной степени злокачественности (доброкачественные астроцитомы (АСЦ) - 15, ана-пластические АСЦ - 10, глиобластомы - 10), 15 больных с менингиомами, 5 - с гидроцефалией и 9 - с нарушением мозгового кровообращения в возрасте от 5 до 65 лет. У всех пациентов с опухолями головного мозга диагноз был подтвержден гистологически (по результатам стереотаксической биопсии или прямой операции). Исследования проводились на магнитно-резонансном томографе "Сигна-Горизонт" (фирма "General Electric") 1,5 Т. Стандартная программа обследования больного при МРТ состояла из получения T1-(TR/TE = 600-640/12-15) и T2 - (TR/ ТЕ = 4500/89) "взвешенных" МР-изображений в аксиальной плоскости. При исследовании опухолей проводили Т1 МРТ с контрастным усилением. Для получения диффузионных изображений использовалась диффузионно-взвешенная (ДВ) эхо-планарная ИП DW-EPI без подавления сигнала от свободной воды и FLA1R-EPI - с подавлением сигнала от свободной воды. Параметры DW-EPI составляли: TR = 5000 мс, ТЕ = 96 мс (FLAIR-EPI: TR = 11 000 мс, TI = 2200 мс, ТЕ = 100 мс), толщина среза 5 мм, поле зрения (FOV) 30 х 24 мм, матрица 128 х 96, число повторений (NEX) равно 1. Параметры диффузионных градиентов: 8=11 мс, Д = 31 мс. Для изменения диффузионной взвешенности изображения мы меняли амплитуду градиентных импульсов G = 11 и 22 мТл/м, что соответствовало значениям фактора диффузии B 500 и 1000 с/мм2. В результате каждого DW-EPI-исследования получали 5 серий изображений срезов с одинаковой локализацией: одну серию - Т2 МРТ, три - при подаче диффузионного градиента по отдельным направлениям (х - спереди назад (А/Р), у - справа налево (R/L) и i - сверху вниз (S/I)) и одну серию так называемых комбинированных изображений для оценки ИКД тканей без учета анизотропии. Обычное время сбора данных для одного значения B при диффузионном исследовании составляло 20 с при максимальном количестве срезов до 20. Полученные изображения переправлялись на графическую рабочую станцию Advantage Windows 2.0 GE, где по значениям МР-сигналов на ДВИ и Т2 МРТ пo-пиксельно строились ИКД-карты для комбинированного ДВИ. Во всех случаях при выборе цвета для диапазона значений ИКД на диффузионной карте доверительная вероятность составляла 0,01. Для количественного анализа измеряли ИКД на диффузионных картах в областях (ROI) размером до 200 мм2, которые выбирали в ткани опухоли, в зонах инфильтрации, отеке и в белом веществе (БВ) мозга на контралатеральной опухоли стороне (в соответствии с анатомической локализацией опухоли). Для оценки статистической значимости полученных результатов использовали двусторонний критерий Стьюдента.

Результаты и обсуждение

АСЦ (15 наблюдений), включенные в наше исследование, составляют группу так называемых диффузных астроцитарных глиом, характеризующихся отсутствием четких макро- и микроскопических границ с окружающим мозговым веществом. На ДВИ доброкачественные АСЦ (низкой степени злокачественности - НСЗ) имели интенсивность сигнала, равную или незначительно ниже, чем сигнал от нормального белого мозгового вещества. На диффузионных картах АСЦ НСЗ выглядели как области яркого цвета (как правило, преобладал красный цвет), гомогенного характера и имели относительно четкие очертания. Периферическая часть опухоли имела переходные значения МР-сигнала и ИКД - это зона опухолевой инфильтрации. Среднее значение ИКД для АСЦ НСЗ составило (1,53 + 0,34) o 1СГ3 мм2/с, для БВ на контралатеральной стороне (0,78 + 0,02) o 10-3 мм2/с (р < 0,002). Микроскопически АСЦ НСЗ состоят из зрелых опухолевых астроцитов с редким расположением клеточных тел и относительно мономорфными ядрами. В таких условиях жидкость легко диффундирует, что предопределяет относительно высокий коэффициент диффузии в ткани доброкачественных АСЦ. Анапластические АСЦ (10 наблюдений) на ДВИ плохо дифференцировались от вещества мозга. Увеличивалась по сравнению с доброкачественными опухолями гетерогенность МР-сигнала. Компонент опухоли, накапливающий контрастное вещество, на ДВИ имел более высокий МР-сигнал, чем у АСЦ НСЗ, и соответственно меньший коэффициент диффузии. Вероятно, это связано с более плотным расположением опухолевых клеток в этой части опухоли. Значения ИКД для анапластической АСЦ постепенно снижались по направлению к неконтрастируемой части новообразования. У больных с внутриопухолевыми кистами последние определялись в виде зон наибольшей диффузии, близких по интенсивности сигнала к ликворным пространствам.

Таблица 1. Значения ИКД для анапластичсских АСЦ (р < 0,01; М + т)

На диффузионных картах анапла-стические АСЦ визуализировались в виде образований гетерогенной окраски. Значения ИКД для анапластических АСЦ представлены в таблице 1. Статистический анализ показал, что значения ИКД в опухоли значимо отличаются от ИКД в зоне пери-туморального отека, кистах и контралатеральном белом веществе (р < 0,005). Различия ИКД в опухоли и зоне инфильтрации были статистически незначимы (р - 0,55). Глиобластомы (10 наблюдений) при МРТ в целом отражали морфологические изменения, демонстрируя значительную опухолевую гетерогенность. На ДВИ глиобластома имела гетерогенный сигнал: повышенный в зоне солидной части опухоли и пониженный в зоне некроза (рис. 1)

Рис. 1. Глиобластома левой височной области.

Опухоль на МР-томограмме в режиме Т1 с контрастным усилением (а) интенсивно накапливает контрастное вещество. На комбинированном ДВИ (б) солидная часть опухоли имеет повышенный МР-сигнал. Перитуморальный отек не определяется. ИКД-карта наоборот демонстрирует участки яркого цвета, представленные вазогенным отеком.

На ИКД-карте самыми яркими были зоны центрально расположенного некроза и периту-морального отека. В таблице 2 представлены значения ИКД для патологических тканей и БВ на контралатеральной стороне. Менингиомы (15 наблюдений). На ДВИ большинство менингиом визуализировались в виде гомогенного образования с повышенной ИС. В 2 наблюдениях на ДВИ ИС менингиомы не отличалась от нормального вещества мозга, а в одном - сигнал был гетерогенным. Отличия в визуализации менингиом, вероятно, связаны с их разной консистенцией. Плотные по консистенции опухоли на ИКД-картах практически не отличаются от соседнего мозгового вещества. Менингиомы более мягкой консистенции в большей степени дают затухание сигнала на ДВИ, и их ИКД выше. На ИКД-картах менингиомы в большинстве случаев (12 наблюдений) практически не отличались от неизмененного вещества мозга (ИКД в опухоли ( 0,97 + 0,17) o 10-3 мм2/с, в белом веществе (0,78 + 0,04) o 10-3 мм2/с, в сером веществе (0,85 + 0,03) o 10-3 мм2/с). Их границы очерчивал только окружающий перитуморальный вазогенный отек, имеющий более высокое значение ИКД (1,47 + 0,23) o10-3 мм2/с.

Таблица 2. Значения ИКД для глиобластом (р < 0,01; М + т)

Таблица 3. Значения ИКД*10-3 для разных типов опухолей головного мозга (р < 0,01; М + т)

Проблема отличия менингиом по консистенции имеет важное значение для выработки тактики хирургического вмешательства. Обычные Т1- и Т2-взвешенные томограммы не позволяют судить о консистенции менингиомы, и, возможно, ДВИ помогут в решении данной проблемы. Кроме того, ДВИ (по нашим предварительным данным) позволяют отличить менингиомы мягкой консистенции (повышенный МР-сигнал в режиме Т2) от доброкачественной АСЦ. ИКД-карты опухолей при этом служат дополнительным средством повышения точности дооперационной дифференциальной диагностики этих новообразований (таблица 3) . Хорошо известно, что рост, особенно злокачественных форм, опухолей головного мозга сопровождается развитием перитуморального отека. При этом глиальные новообразования характеризуются инфильтративным характером роста. На Т2-МРТ эти патологические процессы (отек и инфильтрация) визуализируются одинаково в виде областей повышения интенсивности МР-сигнала. Анализируя полученные данные, мы исходим из предположения о том, что вазогенный отек, приводя к расширению межклеточного пространства, на ДВИ должен давать большее, чем при опухолевой инфильтрации, затухание сигнала из-за более активного и свободного движения молекул воды. В связи с этим наличие вокруг контрастируемой части опухоли (по данным Т1-МРТ с контрастным усилением) зоны повышенного МР-сигнала на ДВИ можно рассматривать как инфильтративную часть глиомы. Перитуморальный отек в этом режиме имеет сигнал пониженный или изоинтенсивный с нормальным веществом мозга. На диффузионных картах у вазогенного отека ИКД значимо (р < 0,005) превышает ИКД области инфильтрации опухолевыми клетками вещества мозга, что, как мы предполагаем, связано с увеличением количества клеток при прорастании опухоли и уменьшении межклеточного пространства. В зоне вазогенного отека движение молекул воды облегчается во всех направлениях, тогда как при инфильтрации вещества мозга клетками опухоли диффузия еще больше ограничивается. В противоположность этому для цитотоксиче-ского отека характерно набухание клеток, сопровождающееся уменьшением межклеточного пространства и снижением ИКД. При этом на ДВИ цитотоксический отек в острую стадию развития гиперинтенсивен, что отличает его от вазогенного. Кроме этого, для цитотоксического отека типично изменение МР-сигнала со временем в зависимости от стадии развития ишемического инфаркта [1]. Близкие к вазогенному отеку МР-проявления наблюдаются у больных с декомпенсированной гид-роцефалией, когда формируется зона перивентрикулярного (интерстициального) отека, характеризующегося повышением ИКД (рис. 2).

Рис. 2. Типы отеков головного мозга

Наблюдение больного с менингиомой бокового желудочка и окружающим его вазогенным отеком (а,б), который имеет яркие цвета на ИКД-карте(б). Наблюдение больного с тромбозом внутренней сонной артерии слева (д,е). Пораженный участок мозга (цитотоксический отек) имеет низкие значения коэффициента диффузии на ИКД-карте . Наблюдение больного с окклюзионной гидроцефалией на уровне водопровода мозга (в,г). Вокруг тел боковых желудочков определяется интерстициальный отек.

Соответствующие значения ИКД для различных типов отека головного мозга представлены в таблице. 4.

Таблица 4. Значения ИКД для разных типов отека головного мозга

Заключение

Анализ информативности диффузионно-взве-шенных изображений и ИКД-карт показал их высокую диагностическую ценность. Новая методика позволяет повысить специфичность МРТ в постановке правильного гистологического диагноза, точность определения различных компонентов опухолевого роста (опухоль, инфильтрация и перитуморальный отек) и изучать вазогенный и цитотоксический отек головного мозга.

Литература

1.Armitage P. A., Bastin M. E., Marshall I. et al. // MAGMA. - 1998. - Vol. 6. - P. 28-36.
2.Bryan R. N.. Levy L. M., Whitlow W. D. et al. // Am. J. Neu-roradiol. - 1991. - Vol. 12. - P. 611-620.
3.Hahn E. L. Ц Physiol.Rcv. - 1950. - Vol. 80. - P. 580-594.
4.Krabbe K., Gideon P. et al. // Neuroradiology. - 1997. - Vol. 39. - P. 483-489.
5.Le Bihan D. // NMR in Biomed. - 1995. - Vol. 8. - P. 375-386.
6.Stejskal E., Tanner J. E. // }. Cliem. Pliys. - 1965. - Vol. 42- P. 288-292.
7.Tien ft. D., Felsberg G. J., Friedman H. et al. // Am. J. Neuro-radiol. - 1994. - Vol. 162. - P. 671-677.
8.Warach S., Chieti D., Li W. et al. // Neurology. - 1992. -Vol. 42. - P. 1717-1723.
9.Yuh W. Т., Grain M. R., Loes D. J. et al. // Am. J. Neiiroradiol- 1991. - Vol. 12. - P. 621-629.