Методы визуализации сосудов головного мозга
Недавние значительные улучшения в ряде методов визуализации теперь позволяют изучать мозг способами, которые ранее не рассматривались. Сегодня у исследователей есть хорошо разработанные инструменты для конкретного изучения динамического характера кровеносных сосудов в мозге во время развития и взросления; а также для наблюдения за сосудистыми реакциями при заболеваниях in vivo. Этот обзор предлагает краткое изложение и краткую историческую справку о различных методах визуализации и о том, как эти инструменты могут применяться для изучения сосудистой сети головного мозга и целостности гематоэнцефалического барьера как в здоровых, так и в болезненных состояниях. Кроме того, он предлагает обзор доступных моделей трансгенных животных для изучения биологии сосудов и описание полезных онлайн-атласов мозга.
Ключевые слова: сосудистые заболевания головного мозга, визуализация, биология сосудов, атлас головного мозга, животные модели, молекулярная визуализация, компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитно-резонансная ангиография (МРТ), фотоакустическая томография (ФАИ), магнитно-резонансная ангиография ( МРА)
1. Введение
Мозг является одним из самых сложных и сложных органов, созданных эволюцией, а его впечатляющее анатомическое строение и запутанная функциональность вызывают восхищение на протяжении тысячелетий. Хотя ранним цивилизациям не хватало адекватных средств для получения знаний о нервной системе, древние египтяне в 17 веке до нашей эры (до нашей эры) написали самое раннее письменное упоминание о мозге в папирусе Эдвина Смита. Только в V веке до н. э. появилось понятие нервной системы. В 1600-х годах Уильям Харви доказал теорию кровообращения в De Motu Cordis, хотя первые описания легочного кровообращения Ибн ан-Нафисом относятся к 16 веку до нашей эры. Интерес к динамике стимулировал изучение ангиологии и нейроанатомии, и в 1664 году Томас Уиллис опубликовал анатомию головного мозга , текст о мозге, который стал новаторской работой для нейронауки и оставался очень влиятельным в течение следующих двух столетий.
В 1882 году Анджело Моссо изобрел первую методику нейровизуализации, названную «баланс циркулирующей крови человека», которая позволяла неинвазивно измерять перераспределение крови во время эмоциональной и интеллектуальной деятельности. Тем не менее, источником структурной визуализации было рентгеновское излучение, открытое Рентгеном в 1895 г.. Вскоре после этого Хашек и Линденталь сделали рентгенограммы кровеносных сосудов, введя непрозрачный раствор трупам; однако только в 1927 г. Эгас Мониш провел первую церебральную ангиографию у людей. С тех пор ключевые события и основные технологические инновации в физике, математике, вычислительной технике и клинической визуализации способствовали развитию, по крайней мере, следующих методов: компьютерная томография (КТ), за которую Хаунсфилд и Кормак были удостоены Нобелевской премии в 1979 г. ; позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ); и магнитно-резонансная томография (МРТ), за которую Лаутербур и Мэнсфилд были удостоены Нобелевской премии в 2003 г., и магнитно-резонансная ангиография (МРА). Вышеупомянутые методы вместе с другими методами визуализации, включая цифровую субтракционную ангиографию (ЦСА), фотоакустическую визуализацию (ПАИ) и транскраниальную допплерографию (ТКД), внесли свой вклад в изучение сосудистой сети головного мозга, способствуя и улучшая наше понимание сложности центральная нервная система (ЦНС).
Стратегии, которые ученые использовали для изучения мрт сосудов мозга, менялись с годами по мере разработки новых методов и методов. Выяснение состава и функций мозга является одной из самых сложных областей исследований. Характеристика структуры мозга с высоким разрешением имеет решающее значение для понимания его функций и дисфункций. Нейровизуализация, процесс создания изображений структуры или активности мозга, становится все более важным инструментом как в исследованиях, так и в клинической помощи, чрезвычайно помогая нашему пониманию морфологии и физиологии мозга в нормальных и болезненных состояниях.
Цель этого обзора состоит в том, чтобы дать краткий обзор наиболее важных недавних научных достижений, достигнутых с использованием методов визуализации, с особым акцентом на их значимость для области визуализации сосудов головного мозга и включения раздела, посвященного молекулярной визуализации гематоэнцефалического барьера. БББ). Особое внимание также уделяется животным моделям, поскольку их использование мотивировано желанием лучше понять болезни человека. Кроме того, также выделены сводные данные о доступных онлайн-атласах мозга для моделей человека и животных и то, как эти подходы способствуют лучшему пониманию мозга на нескольких уровнях.
2. Компьютерная томография (КТ)
1 октября 1971 года в Лондоне, Англия, компьютерная томография, выполненная Годфри Хаунсфилдом и Джеймсом Амброузом, произвела первое сканирование пациента с церебральной кистой. Изображение доказало возможность создания неналоженных изображений среза объекта.
С тех пор компьютерная томография была усовершенствована за счет ряда важных технологических достижений, что привело к современной способности получать тысячи изображений тонких срезов с изотропией вокселей за несколько секунд при сниженной дозе облучения. КТ-ангиография (КТА) получила наибольшую пользу от такой эволюции с точки зрения улучшения диагностических характеристик и расширения клинических показаний. Цветная КТ-ангиография, новый метод отображения динамической церебральной КТ-ангиографии, предоставляет важную дополнительную информацию о церебральной гемодинамике, включая специфическую дифференциацию между антеградным и ретроградным кровотоком.
Микромасштабная компьютерная томография (микроКТ) и нанокомпьютерная томография (наноКТ) представляют собой методы визуализации поперечного сечения с высоким разрешением и являются важными инструментами для фенотипирования и выяснения заболеваний и их лечения. По сравнению с другими методами визуализации сильные стороны микроКТ и наноКТ заключаются в их эффективности сканирования с высоким разрешением, скорости и относительно низкой стоимости. Кроме того, это метод структурной визуализации, который обеспечивает объемное представление сосудистых структур в головном мозге грызунов с высоким разрешением, а также измерение церебрального объема крови (CBV).
Недавние применения микроКТ в сосудистой сети головного мозга мыши включают анализ in situ мозга взрослых с использованием контраста на основе йода, оценку животных моделей кавернозных мальформаций головного мозга (CCM) и визуализацию опухолей головного мозга у живых мышей.
Перфузионная КТ является относительно новым методом визуализации, позволяющим быстро качественно и количественно оценить физиологию сосудов головного мозга и гемодинамику, включая измерение мозгового кровотока (CBF) и CBV. Он включает в себя последовательное получение изображений КТ головного мозга, выполняемых во время внутривенного введения контрастного вещества. Это альтернативный метод визуализации с несколькими клиническими показаниями, включая инсульт, травму головы и опухоли головного мозга. Опубликованные данные предполагают, что перфузионная КТ может быть сопоставима с МРТ. Кроме того, перфузионная КТ использовалась для оценки возможных клинических преимуществ фармакологической терапии при раннем развитии инсульта, а также для прогнозирования выживаемости при глиомах высокой степени злокачественности.
3. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ)
Развитие КТ вскоре привело к появлению других методов визуализации, включая ПЭТ, которая включает введение в кровоток быстро распадающихся радиоактивных веществ. Первый простой ПЭТ-сканер, способный обнаруживать опухоли головного мозга, был создан в начале 1950-х годов Бромвеллом и Свитом, а к 1975 году были разработаны более сложные типы ПЭТ, которые могли измерять кровоток.
Первое ПЭТ-изображение мозга крысы с использованием клинического ПЭТ-сканера было выполнено в 1991 году, а первоначальный специализированный маленький ПЭТ-сканер был представлен несколькими годами позже, в 1995 году. Недавняя разработка ПЭТ-сканера для мелких животных с высоким разрешением, подходящего для визуализации мозга мышей, быстро улучшит качество визуализации при анализе мозга.
Функциональная визуализация ПЭТ наиболее полезна в сочетании с анатомической визуализацией и системами гибридной визуализации, такими как ПЭТ/МРТ и ПЭТ/КТ. Мультимодальная визуализация ПЭТ/КТ и ПЭТ/МРТ обеспечивают преимущества при оценке изображений пациентов с различными заболеваниями. ПЭТ/КТ-сканер обладает способностью улучшать качество изображения и точность изображения ПЭТ-изображений, улучшая идентификацию и локализацию поражения, что влияет на принятие клинических решений и тем самым улучшает ведение пациентов. Комбинация ПЭТ/МРТ дает функциональные структурные и метаболические данные, которые потенциально могут способствовать более точной диагностике и, в конечном итоге, влиять на выживаемость пациентов. Преимущества и недостатки ПЭТ/КТ обсуждаются.
Мультимодальная визуализация в настоящее время доступна в клинической практике и для мелких животных. ОФЭКТ/КТ грызунов использовалась для оценки нарушения мозгового кровообращения и гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) in vivo после очаговой церебральной ишемии, а недавно разработанный тримодальный сканер ПЭТ/ОФЭКТ/КТ для мелких животных позволил получить новые данные. в функцию мозга и визуализацию церебральной ишемии у живых крыс.
ПЭТ и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) представляют собой методы молекулярной визуализации, которые за счет использования специфических радиоактивных индикаторов позволяют визуализировать и измерять физиологические процессы в интактном живом мозге.
Недавно ПЭТ была использована для изучения гипоксии и воспаления при ишемическом инсульте, для изучения возможной связи между острым ишемическим инсультом и отложением Aβ у пациентов, а также для неинвазивного изображения кинетики экспрессии VEGFR в проанализировать постинсультный ангиогенез у крыс. Более того, 11 C-метионин является наиболее популярным индикатором, используемым при ПЭТ-визуализации опухолей головного мозга, и может прогнозировать прогноз при глиомах. Другие недавние примеры нарушений сосудов головного мозга, визуализированные с помощью ПЭТ или ОФЭКТ, включают тромбоз, болезнь Альцгеймера.
4. Магнитно-резонансная томография (МРТ) и другие подобные методы
Основная идея явления МР впервые появилась в 1946 году благодаря открытиям Блоха и Перселла. Прошло еще 25 лет, прежде чем МРТ стала применяться в медицинской диагностике, когда были опубликованы первые открытия, касающиеся развития методики визуализации различных структур. Большим преимуществом МРТ является то, что она использует магнитные силы, а не потенциально вредное ионизирующее излучение. Более того, с начала 1980-х годов качество изображения значительно улучшилось, а время сканирования уменьшилось в 10–100 раз.
Основные понятия, необходимые для понимания МРТ, включают классификацию контраста изображения в зависимости от его чувствительности к трем различным параметрам: плотности протонов ( ρ ), времени спин-решеточной или продольной релаксации T 1 и времени спин-спиновой или поперечной релаксации T 2 или Т 2 *. Взвешенное по плотности протонов изображение представляет собой последовательность, которая в основном чувствительна к ρ , а взвешенные по T1 или T2 изображения соответственно чувствительны к временам релаксации T1 или T2. Кроме того, различные контрастные вещества, обогащающие МРТ, могут использоваться в так называемой МРТ с контрастным усилением. Недавно в нескольких обзорах основное внимание уделялось МРТ сосудов головного мозга по сравнению с другими методами визуализации и описывались ключевые разработки последних лет.
Эти новые достижения в методах нейровизуализации также могут применяться в качестве биомаркеров. Биомаркеры можно использовать в качестве диагностического инструмента, прогностического инструмента, прогностического инструмента (для прогнозирования ответа на вмешательство) или замены клинического результата для измерения ответа на вмешательство (суррогатная конечная точка). Некоторые примеры биомаркеров на основе МРТ, используемых при остром ишемическом инсульте. Биомаркеры, основанные на визуализации головного мозга, могут иметь отношение к прогнозу при глиомах высокой степени злокачественности, и недавно анализ калибра сосудов был предложен в качестве возможного биомаркера ответа опухоли в клинических испытаниях.
Изучение гемодинамических изменений у пациентов с цереброваскулярными заболеваниями важно для понимания болезни, потенциально улучшая диагностические возможности и планирование лечения. Существует потребность в неинвазивной визуализации цереброваскулярных территорий; поэтому появились новые методы оценки цереброваскулярной гемодинамики и CBF, включая четырехмерную (4D) проточную МРТ; Разрабатываются двухмерная фазово-контрастная МРТ (ПК-МРТ) и метод магнитно-резонансной визуализации тромбов черной крови (МРБТИ).
4.1. МРТ, взвешенная по диффузии и перфузии
Диффузионная (DWI) и перфузионная (PWI) взвешенная МРТ играют все более важную клиническую роль ( подробное описание основных принципов). Комбинация обоих методов особенно перспективна для раннего выявления и оценки инсульта; и для характеристики опухоли головного мозга, поскольку они предоставляют дополнительную информацию.
DWI основан на случайном движении молекул воды, вызванном рассеиванием их кинетической энергии, известном как броуновское движение, в присутствии магнитных импульсов. Кажущийся коэффициент диффузии является мерой, которая отображает величину диффузии молекул воды в ткани. В области визуализации головного мозга DWI применяется для диагностики и мониторинга инсульта, а также для характеристики опухолей головного мозга.
PWI относится к методам, в которых используется влияние эндогенных или экзогенных индикаторов на МР-изображения для получения различных гемодинамических параметров, предлагающих потенциал для измерения перфузии головного мозга при некоторых патологических состояниях, включая инсульт и опухоли головного мозга. Методы перфузионной МРТ можно использовать для количественной оценки специфических патофизиологических параметров, более точной классификации внутричерепных опухолей и прогнозировать выживаемость и исход заболевания.
4.2. Восприимчиво-взвешенная визуализация (SWI)
SWI — это метод МРТ, который повышает контрастность изображения за счет использования различий в восприимчивости между тканями и стал частью рутинных протоколов МРТ головного мозга. Клинический успех SWI обусловлен его превосходной чувствительностью при обнаружении небольших количеств продукта крови, его способностью различать артериальные и венозные сосуды, а также его способностью различать кальцификацию и продукт крови. Таким образом, SWI в настоящее время используется для получения изображений различных сосудистых заболеваний головного мозга, включая кровоизлияния, черепно-мозговую травму, инсульт, опухоли и рассеянный склероз. Тот факт, что этот метод не обеспечивает количественные измерения, что является важным ограничением, в настоящее время преодолевается развитием новых технологий, таких как количественное картирование восприимчивости (QSM) и визуализация тензора восприимчивости (STI).
4.3. Количественное картирование восприимчивости (QSM)
Ожидается, что QSM будет играть все более важную роль в клинике, поскольку позволяет однозначно дифференцировать кальцифицированные и геморрагические поражения, что позволяет проводить дифференциальную диагностику и одновременно раскрывает анатомию головного мозга. Этот метод позволяет исследовать и получать ценную информацию не только о композиционных изменениях при старении головного мозга, но и о многочисленных нейродегенеративных заболеваниях, предоставляя ценные рекомендации клиницистам при диагностике.
QSM недавно применяли для мониторинга прогрессирования заболевания CCM и отложения железа, внутричерепных кровоизлияний, объема гематомы и для дифференциации кровоизлияний от кальцификации. Полезность QSM для визуализации микроструктуры мозга мыши с разрешением 10 мкм была показана путем выявления подробных структур.
4.4. Внутричерепная визуализация стенки сосуда (IVW)
Доступные в последнее время методы IVW дают возможность непосредственно оценить стенку сосуда, предоставляя полезный диагностический инструмент, который может улучшить результаты лечения пациентов, помогая в выборе лечения, по сравнению с другими инвазивными и неинвазивными методами в настоящее время. доступный. IVM особенно сложна из-за малого калибра и извитости внутричерепных сосудов и представляет собой перспективную область интереса для оценки внутричерепных атеросклеротических поражений, внутричерепных васкулопатий, цереброваскулярного воспаления, ЦНС васкулит, артериовенозные мальформации головного мозга, болезнь Моямоя, церебральные аневризмы и расслоение внутричерепных артерий.
4.5. МР-ангиография (МРА)
МРА представляет собой группу методов, основанных на МРТ, для визуализации кровеносных сосудов. Методы МРА можно разделить на две категории: МРА с контрастным усилением и МРА без контрастного усиления. С момента введения в 1994 г. Принсом МРА первого прохода с контрастным усилением получила широкое распространение, а подробности о методах и контрастных агентах. Подробное описание бесконтрастных методов МРА и физических механизмов, лежащих в основе каждого метода, включая их клиническое применение. В головном мозге МРА используется для визуализации цереброваскулярных территорий, а также для оценки стеноза и окклюзии, аневризм и других пороков развития головного мозга. Полное описание МРА при сосудистых заболеваниях головного мозга содержится в обзоре.
