Перспективы клинического применения метода QSM для диагностика болезни Альцгеймера
Количественная оценка данных магнитно-резонансной томографии - это наше настоящее, позволяющее заменить инвазивные методики диагностики в медицине".
Терещенко Галина Викторовна,
к.м.н., заведующая отд. лучевой диагностики Национального Научно Исследовательского Центра Детской Гематологии, Онкологии и Иммунологии им. Дмитрия Рогачева
В последнее время активно развиваются методики количественной МРТ, позволяющей использовать для диагностики не только визуальную оценку изображений, но и измерение различных характеристик тканей. В качестве примера можно привести методики T1 и T2 картирования, T2* перфузии, количественного картирования магнитной восприимчивости (QSM карты) и переноса насыщения Amide Proton Transfer (APT). APT используют для построения карт, отражающих концентрацию эндогенных клеточных белков, что дает возможность определить степень злокачественности опухоли (рис. 1 A). Количественные методики T2* перфузии с введением контрастного вещества (рис.1 B) и pCASL (без контрастирования, рис.1 C), перспективы клинического применения метода QSM находят широкое применение для оценки перфузии головного мозга.
Метод количественного картирования магнитной восприимчивости (Quantitative Susceptibility Mapping, QSM) во многом напоминает изображения, взвешенные по магнитной восприимчивости (SWI), но, в то время как SWI позволяет лишь качественно оценить присутствие в тканях железа и кальция, суть QSM заключается в количественном картировании значений магнитной восприимчивости (построении QSM карт).
Физический принцип, лежащий в основе методики QSM - изменение магнитного поля томографа B0 тканями с разными магнитными свойствами.
Находясь в магнитном поле B0, они изменяют его значение в зависимости от их магнитной восприимчивости: так, диамагнитный кальций уменьшает значение поля, а парамагнитные ферритин и гемосидерин, напротив, усиливают его. Измерив значение поля B0, можно определить магнитную восприимчивость тканей и дифференцировать их по данному параметру, а также оценить присутствие в тканях пара- и диамагнитных веществ. Таким образом, принципиальное различие изображений, взвешенных по магнитной восприимчивости (SWIp) и QSM – количественный характер последнего метода.
Для получения QSM карт распределения магнитной восприимчивости применяется последовательность некогерентного мультиградиентного эха (рис.2) с малым значением угла переворота (FA) и короткими временами повторения (TR) и первого эха (TE); как правило, число эхо - от 6 до 8. Использование нескольких эхо с короткими TE позволяет получить необходимую для QSM карт информацию об изменении сигнала со временем, а высокое отношение сигнал/шум достигается благодаря коротким TE. Как и в случае с SWIp, спад сигнала и артефакты потока предотвращаются благодаря сбалансированным биполярным градиентам, которые не изменяют разность фаз между подвижными и стационарными протонами.
Времена эхо при сканировании подбираются так, чтобы предотвратить возникновение артефакта химического сдвига. В силу разной структуры молекул жира и воды, резонансная частота протонов в их составе различается, например при силе поля 3 Тл частота вращения протонов воды на 448 Гц больше, чем в жире [1]. В результате между этими протонами накапливается разность фаз - в областях, содержащих как воду, так и жир, происходит резкий спад сигнала (рис.3, слева). В связи с этим при поле 3 Тл, все TE подбирают как можно ближе к значениям кратным 2.2 мс, чтобы протоны воды и жира находились в фазе, и артефакт химического сдвига был минимальным (рис.3, справа)
Для построения QSM карты сперва определяется карта магнитного поля, отражающая его значение в каждой точке изображения. Теоретическая зависимость фазы МР-сигнала от величины поля B’ носит линейный характер: φтеор=const*TE*B’. Используя значения фазы из разных эхо, для получения карты поля достаточно подобрать такое значение B’, при котором фаза реально зарегистрированного МР-сигнала и φтеор совпадают. Другими словами, карта магнитного поля (рис.4) определяется посредством минимизации разности между измеренным и теоретическим значением фазы в каждом элементе объема [2].
Полученное значение магнитного поля B’ складывается из ‘локальной’ составляющей магнитного поля, обусловленной интересующей нас магнитной восприимчивостью тканей, а также 'внешней' составляющей, которая связана с неоднородностями магнитного поля томографа B0 и резкими изменениями магнитной восприимчивости вне области интереса (в частности, на границах ‘ткань-воздух’ [2]).
Так как внешнее поле дает сильный вклад в значение поля B’, необходимо выделить лишь локальное магнитное поле. Неоднородности основного поля томографа B0 имеют низкую пространственную частоту (слабо изменяются в пространстве), поэтому применение высокочастотного фильтра, удаляющего низкие пространственные частоты, сводит на нет вклад неоднородностей B0. Недостаток этого способа – искажение магнитной восприимчивости крупных структур на изображении [3]. Более совершенная методика проекций на дипольные поля (Projection onto dipole fields, PDF) использует тот факт, что внешнее магнитное поле перпендикулярно локальному полю тканей. По ранее полученной карте магнитного поля определяется расположение источников внешнего поля и его значение. Затем, вычитая его из B’, получают локальное магнитное поле (рис.5), которое зависит только от магнитной восприимчивости тканей.
Последний шаг построения QSM карт – определение магнитной восприимчивости в каждой точке изображения исходя из локального магнитного поля. Эта математическая задача не имеет единственного решения - разным распределениям магнитной восприимчивости может соответствовать одна и та же карта магнитного поля. В связи с этим требуется дополнительная информация для восстановления карт магнитной восприимчивости. Часто применяется методика морфологической инверсии диполей (Morphology enabled dipole inversion, MEDI) [4], которая использует обычное, магнитудное изображение для выделения границ между различными тканями. Предполагается, что магнитная восприимчивость претерпевает значительные изменения лишь на границах тканей, то есть расположение резких перепадов на QSM карте и на магнитудном изображении совпадает.
Полученные значения магнитной восприимчивости по определению относительны, т.е. определены с точностью до константы. В связи с этим отдельное внимание уделяется выбору тканей, служащих точкой отсчета для значений магнитной восприимчивости. В случае с QSM картами головного мозга эту роль, как правило, играет спинномозговая жидкость, магнитная восприимчивость которой принимается равной нулю. Единицы измерения нормированных значений магнитной восприимчивости – ppm (единицы на миллион); одному ppm соответствует изменение магнитного поля на 0,0001%.
Перспективы клинического применения метода QSM
Точная оценка магнитной восприимчивости тканей играет важную роль в диагностике заболеваний, сопровождающихся повышенным накоплением железа в организме, будь то синдром перегрузки железом или нейродегенеративные заболевания, при которых в сером веществе головного мозга происходит активное накопление железа [5]. Помимо этого, использование методики QSM дает возможность определять содержание в организме поддерживающих нормальный метаболизм биометаллов (медь, цинк и марганец), аномальное содержание которых в головном мозге связывается с развитием нейродегенеративных заболеваний путем окислительного стресса.
В настоящее время QSM активно используется в научных исследованиях для изучения процессов накопления железа в организме, а также находит применение как неинвазивный способ оценки перегрузки печени у пациентов со вторичным гемохроматозом.
Мониторинг содержания железа у пациентов с гемохроматозом
Для терапии ряда заболеваний, включающих талассемии, острый миелоидный лейкоз и пр. требуются регулярные переливания крови. Трансфузионно-зависимые пациенты находятся в группе риска вторичного гемохроматоза, поэтому мониторинг концентрации соединений железа в организме играет ключевую роль в лечении вышеупомянутых заболеваний. Для неинвазивной оценки используется ряд методик МРТ, чувствительных к содержанию железа. К числу последних относится T2*-картирование (рис.7). Использование T2*-картирования позволяет не только заменить биопсию печени с последующей масс-спектроскопией [6], но и неинвазивно оценить накопление железа в миокарде, что играет важную роль при планировании хелаторной терапии. соединений железа
Важно отметить, что точность T2* картирования печени может быть ограничена искажающими результаты факторами (фиброз, отек), а значения времен релаксации T2* зависят от содержания разных типов тканей в области исследования. В силу практически нулевой магнитной восприимчивости фиброза и отека (относительно воды) на QSM картах, метод QSM не подвержен тем же недостаткам, что позволит более точно определять концентрацию железа [7]. Использование QSM для диагностики гемохроматоза не ограничивается построением QSM карт печени. Несмотря на предположения, что уровень железа в тканях головного мозга не зависит от содержания железа в организме в целом и остается неизменным даже при системной перегрузке железом печени и сердца [8,9], ряд исследований говорит об обратном [10,11]. В них отмечается повышенное накопление железа в различных структурах головного мозга у пациентов, регулярно получающих гемотрансфузии. QSM может занять важное место в клинической практике для контроля содержания железа в головном мозге и повышения эффективности хелаторной терапии.
Остеопороз – заболевание, характеризующееся нарушением метаболизма костей и снижением их минеральной плотности. Повышенный риск переломов обуславливает необходимость ранней постановки диагноза для своевременного начала терапии. Традиционно для диагностики используются методики компьютерной томографии (КТ) [12], сопряженные с достаточно высокой лучевой нагрузкой.
Исследование Chen et al. [13] с участием 70 пациентов и здоровых добровольцев показало возможность использования метода QSM для точной диагностики остеопороза на МР-томографе Philips Achieva 3 Тл. Так как остеопороз сопровождается пониженным содержанием диамагнитного кальция в костной ткани, повышенные значения магнитной восприимчивости на QSM картах (рис.9) являются биомаркером этого заболевания. В вышеупомянутой работе оценивалось значение магнитной восприимчивости в третьем позвонке поясничного отдела позвоночника; при диагностике остеопороза методом QSM значение площади под ROC-кривой составило 0.86, а чувствительность достигла 85%. При этом наблюдалась очень высокая корреляция результатов QSM и клинических методов, использующих КТ [13].
Ряд исследований выявил связь между нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезни Альцгеймера и Паркинсона и повышенной концентрацией железа в головном мозге [14,15]. Своевременное обнаружение этих заболеваний может основываться на более высоких значениях магнитной восприимчивости на QSM картах в сером веществе головного мозга (что соответствует накоплению в ткани парамагнитного железа). В частности, работа Kuchsinki et al. [16], использовавшая томограф Philips Achieva 3 Тл, выявила повышенное содержание железа в сером веществе головного мозга у пациентов с болезнью Альцгеймера с ранним началом. Для отдельных форм этого заболевания чувствительность и специфичность метода QSM составили 86 и 88% соответственно. Cогласно результатам исследования, для дифференциальной диагностики разных форм болезни Альцгеймера с ранним началом важно определить характер распределения железа в глубинном сером веществе и лимбических структурах [16]. В настоящее время активно разрабатываются новые методики для диагностики болезни Альцгеймера. Известно, что заболевание сопровождается атрофией гиппокампов и увеличением объема желудочков головного мозга, что может служить биомаркером данного заболевания. Для T1-взвешенных изображений автоматически выделяются структуры головного мозга [17] и рассчитываются отношения объема гиппокампа и прилежащего желудочка. В недавнем исследовании [18] для диагностики болезни Альцгеймера также использовали отношение объема гиппокамов и внутричерепного объема, что увеличило специфичность (83%), и достоверность методики (0.89). Использование QSM для диагностика болезни Альцгеймера и вышеупомянутые методики могут повысить чувствительность и точность диагностики нейродегенеративных заболеваний.
Связанные продукты
-
SWIp
Метод SWIp характеризуется высокой чувствительностью к повышению контрастности венозной крови (бедной кислородом) или отложений кальция и при использовании в сочетании с другими медицинскими сведениями может облегчить диагностику различных неврологических патологий. Метод SWIp обеспечивает трехмерную взвешенную по чувствительности визуализацию головного мозга с высоким разрешением, позволяя с легкостью включить его в стандартную практику.
NMRB460
Связанные статьи
T2* картирование миокарда
МР-фантом
Список использованной литературы:
[2] Wang Y, Liu T. Quantitative susceptibility mapping (QSM): Decoding MRI data for a tissue magnetic biomarker. Magn Reson Med. 2015;73(1):82-101. doi:10.1002/mrm.25358 [3] Haacke EM, Liu S, Buch S, Zheng W, Wu D, Ye Y. Quantitative susceptibility mapping: current status and future directions. Magn Reson Imaging. 2015;33(1):1 25. doi:10.1016/j.mri.2014.09.004 [4]Liu J, Liu T, de Rochefort L, et al. Morphology enabled dipole inversion for quantitative susceptibility mapping using structural consistency between the magnitude image and the susceptibility map. Neuroimage. 2012;59(3):2560-2568. doi:10.1016/j.neuroimage.2011.08.082 [5] Peng Y, Chang X, Lang M. Iron Homeostasis Disorder and Alzheimer's Disease. Int J Mol Sci. 2021;22(22):12442. doi:10.3390/ijms222212442 [6]Nazarova EE, Tereshchenko GV, Kupriyanov DA, Smetanina NS, Novichkova GA. Free-breathing T2* mapping for MR myocardial iron assessment at 3 T. Eur Radiol Exp. 2020;4(1):25. Published 2020 Apr 17. doi:10.1186/s41747-020-00156-3 [7]Wang Y, Spincemaille P, Liu Z, et al. Clinical quantitative susceptibility mapping [8] Dusek P, Jankovic J, Le W. Iron dysregulation in movement disorders. Neurobiol Dis. 2012;46(1):1-18. doi:10.1016/j.nbd.2011.12.054 [9] Ward RJ, Zucca FA, Duyn JH, Crichton RR, Zecca L. The role of iron in brain ageing and neurodegenerative disorders. Lancet Neurol. 2014;13(10):1045-1060. doi:10.1016/S1474-4422(14)70117-6 [10] Akhlaghpoor SA, Ghahari A, Morteza A, Khalilzadeh O, Shakourirad A, Alinaghizadeh MR (2012). Quantitative T2* magnetic resonance imaging for evaluation of iron deposition in the brain of β-thalassemia patients. Clinical neuroradiology, 2012;22(3):211-217. doi:10.1007/s00062-011-0108-z [11] Qiu D, Chan GC, Chu J, et al. MR quantitative susceptibility imaging for the evaluation of iron loading in the brains of patients with β-thalassemia major. AJNR Am J Neuroradiol. 2014;35(6):1085-1090. doi:10.3174/ajnr.A3849 [12] Alacreu E, Moratal D, Arana E. Opportunistic screening for osteoporosis by routine CT in Southern Europe. Osteoporos Int. 2017;28(3):983-990. doi:10.1007/s00198-016-3804-3 [13] Chen Y, Guo Y, Zhang X, Mei Y, Feng Y, Zhang X. Bone susceptibility mapping with MRI is an alternative and reliable biomarker of osteoporosis in postmenopausal women. Eur Radiol. 2018;28(12):5027-5034. doi:10.1007/s00330-018-5419-x [14] Carocci A, Catalano A, Sinicropi MS, Genchi G. Oxidative stress and neurodegeneration: the involvement of iron. Biometals. 2018;31(5):715-735. doi:10.1007/s10534-018-0126-2 [15] Belaidi AA, Bush AI. Iron neurochemistry in Alzheimer's disease and Parkinson's disease: targets for therapeutics. J Neurochem. 2016;139 Suppl 1:179-197. doi:10.1111/jnc.13425 [16] Kuchcinski G, Patin L, Lopes R, et al. Quantitative susceptibility mapping demonstrates different patterns of iron overload in subtypes of early-onset Alzheimer's disease. Eur Radiol. 2023;33(1):184-195. doi:10.1007/s00330-022-09014-9 [17] Bartos A, Gregus D, Ibrahim I, Tintěra J. Brain volumes and their ratios in Alzheimer´s disease on magnetic resonance imaging segmented using Freesurfer 6.0. Psychiatry Res Neuroimaging. 2019;287:70-74. doi:10.1016/j.pscychresns.2019.01.014 [18] Estévez-Santé S, Jiménez-Huete A; ADNI group. Comparative analysis of methods of volume adjustment in hippocampal volumetry for the diagnosis of Alzheimer disease. J Neuroradiol. 2020;47(2):161-165. doi:10.1016/j.neurad.2019.02.004
[1] Bolog N, Nanz D, Weishaupt D. Muskuloskeletal MR imaging at 3.0 T: current status and future perspectives. Eur Radiol. 2006;16(6):1298-1307. doi:10.1007/s00330-006-0184-7
(QSM): Biometal imaging and its emerging roles in patient care. J Magn Reson Imaging. 2017;46(4):951-971. doi:10.1002/jmri.25693
