Математическое моделирование в исследованиях развития гидроцефалии

Одним из процессов, характерных для головного мозга, является отток спинномозговой жидкости (CSF, ликвор). Поток CSF во внутричерепной полости и позвоночном канале имеет сложный пульсирующий характер и связан с сердечной деятельностью. Различные заболевания центральной нервной системы могут нарушать процессы нормальной циркуляции ликвора, что в свою очередь, может приводить к патологическим изменениям в головном мозге. К примеру, при затрудненной циркуляции при гидроцефалии объем желудочков головного мозга увеличивается, что приводит к смещению и сжатию мозговой ткани. У гидроцефалии большое количество форм, желудочки головного мозга могут увеличиваться как при травмах или опухолевых процессах, когда перекрываются ликворные пути, так и при обычном старении головного мозга. Клинические симптомы в этих случаях схожи и достаточно обширно описаны с точки зрения симптоматических проявлений: головные боли, снижение памяти и когнитивных познавательных функций. Однако причины и динамика развития нарушений циркуляции ликвора в настоящее время изучены недостаточно. Не все отделы гемоликвородинамической системы доступны для подробной визуализации с помощью методов МРТ и УЗИ. Для рассмотрения процессов на уровне мелкого сосудистого звена активно используются методы математического моделирования.

В рамках научного сотрудничества с Philips коллективу лаборатории МРТ технологий Международного Томографического центра Сибирского Отделения Российской Академии Наук в составе Богомяковой О.Б. и Яньковой Г.С. под руководством д.м.н. Тулупова А.А. совместно с научным коллективом Института гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, удалось выстроить успешную математическую модель, описывающую изменение давления жидкости в каждом отделе сосудистой системы, а также смещение мозгового вещества на основе МРТ данных. Диагностика проводилось на МР томографе Philips Ingenia c напряженностью поля 3 Тл. Для приема ЯМР сигналов использовалась 8-ми канальная головная катушка dStream. В своем исследовании авторы статьи для построения математической модели использовали различные последовательности: от рутинных структурных Т1 и Т2 взвешенных изображений  до методики 4D flow, которая позволяет количественно оценивать ряд характеристик ликворотока и кровотока.

В результате анализа данных полученная модель помогает установить взаимосвязь между параметрами, описывающими внутримозговые процессы, и внутричерепным давлением, объемом желудочков, следовательно, описывает реальные механизмы гемоликвородинамики. Более того, она может быть использована для описания состояния организма как в функциональной норме, так и при гидроцефалии и переходе между ними при изменении параметров модели. Математическое моделирование должно помочь определить параметры или знаковые точки деформации желудочков. Как утверждают авторы статьи, используя полученные параметры по данным МРТ для каждого конкретного пациента, станет возможным установить склонность к развитию гидроцефалии, а также причины ее возникновения, к которым относятся ухудшение кровоснабжения головного мозга, его старение, нарушение функций обратного всасывания и др. Эта информация позволит эффективно и своевременно оказывать необходимую терапевтическую и хирургическую помощь.

Более подробно с методикой и результатами данного обзора можно познакомиться в работе авторов:

Yan’kova, G.S., Cherevko, A.A., Khe, A.K. et al. Study of Hydrocephalus Using Poroelastic Models. J Appl Mech Tech Phy 61, 14–24 (2020). https://doi.org/10.1134/S0021894420010022