Изменения параметров диффузионно-куртозисной МРТ у пациентов с диффузным аксональным повреждением

Список сокращений

ДАП — диффузное аксональное повреждение

ДК МРТ — диффузионно-куртозисная магнитно-резонансная томография

ДТ МРТ — диффузионно-тензорная магнитно-резонансная томография

ДТИ — диффузионно-тензорные изображения

ДКИ — диффузионно-куртозисные изображения

ЦНС — центральная нервная система

ЧМТ — черепно-мозговая травма

FA, Fractional Anisotropy — фракционная анизотропия

MK, Mean Kurtosis — средний куртозис

AK, Axial Kurtosis — аксиальный куртозис

RK, Radial Kurtosis — радиальный куртозис

KA, Kurtosis Anisotropy — куртозисная анизотропия

AWF, Axonal Water Fraction — фракция аксональной воды

AxEAD, Axial Extra-Axonal space Diffusivity — аксиальная экстрааксональная диффузия

RadEAD, Radial Extra-Axonal space diffusivity — радиальная экстрааксональная диффузия

TORT, TORTuosity of extra-axonal space — извитость экстрааксонального пространства

ROI, region of interest — зона интереса

Диффузное аксональное повреждение (ДАП) является одним из самых тяжелых видов ЧМТ, для которого характерны растяжение аксонов, их отек, разрывы, формирование ретракционных аксональных шаров с последующим развитием валлеровской дегенерации [1—4]. Большинство повреждений при ДАП не определяется при помощи КТ и рутинных МРТ, поэтому до сих пор сохраняется большой интерес к исследованию различных нейровизуализационных биомаркеров, которые in vivo продемонстрировали бы распространенность диффузного аксонального повреждения [5].

Диффузионные изображения с получением коэффициентов диффузии, основанные на оценке броуновского движения молекул воды, применяются в клинической практике уже многие годы. За последние полтора десятилетия широкое развитие получила диффузионно-тензорная МРТ (ДТ МРТ), которая дает информацию, касающуюся степени и направленности (анизотропии) диффузии воды в тканях. В ряде работ было показано, что ДТ МРТ является надежным методом исследования микроструктуры белого вещества мозга [6—11], а параметры фракционной анизотропии (FA) в мозолистом теле и по ходу кортикоспинальных трактов при тяжелом ДАП коррелируют с исходами [11]. ДТ МРТ также является широко применяемым методом трактографии, который позволяет визуализировать степень повреждения основных трактов в остром периоде травмы мозга и последующую их дегенерацию [11]. Однако свободная диффузия воды в гомогенном пространстве отличается от диффузии в гетерогенных внутри- и внеклеточных структурах тканей мозга, где имеются, в частности, пересечения волокон, мембраны и другие препятствия. Свойства диффузии в неоднородных микроструктурах нельзя описать с помощью классической нормальной (гауссовская) модели, используемой при диффузионно-взвешенной и диффузионно-тензорной МРТ. Характеристики диффузии молекул воды в неоднородной среде могут быть учтены с помощью варианта диффузионно-взвешенных изображений — диффузионно-куртозисной МРТ [12—14].

Диффузионно-куртозисная МРТ (ДК МРТ) предполагает количественную оценку негауссовских процессов диффузии воды и, по мнению некоторых исследователей [14—19], более точно отражает состояние биологической микросреды и гетерогенности структуры тканей мозга человека, особенно в области пересечения волокон белого вещества. ДК МРТ также обладает большей чувствительностью при исследованиях серого вещества, что является значимым преимуществом при изучении травмы мозга [20, 21]. Этот метод дает возможность одномоментного расчета диффузионного и куртозисного тензоров, из которых извлекаются гауссовские и негауссовские диффузионные параметры [22, 23]. Среди них средний куртозис — величина куртозиса по всем диффузионным направлениям, которая показывает, насколько распределение диффузии отклоняется от гауссовского [18]. Куртозисная анизотропия дополняет параметр FA данными о тканевой анизотропии в области пересекающихся волокон [24, 25]. Снижение радиального куртозиса — перпендикулярно направлению аксонов отражает возрастание диффузии в радиальном направлении вследствие повреждения клеточных мембран, миелиновых листков, разрыва аксонов [12, 26]. Параметр «аксиальный куртозис» (отражает движение молекул вдоль аксиального направления диффузионного эллипсоида, параллельно аксону) относительно низкий в белом веществе, так как диффузия вдоль аксонов свободная и относительно не ограничена, что ведет к наименьшему отклонению от гауссовского распределения [12].

Для исследований белого вещества при помощи ДК МРТ была предложена идеализированная двухкомпонентная модель белого вещества [27], которая допускает существование интрааксонального пространства (аксоны представлены бесконечно длинными цилиндрами), а также экстрааксонального пространства, при этом между ними нет диффузионного обмена, а миелиновая оболочка считается непроницаемой для воды [18, 23]. Таким образом, диффузию воды рассматривают отдельно в экстра- и интрааксональном пространстве. Для описания двухкомпонентной модели используют параметр «фракция аксональной воды», который измеряет относительный объем воды внутри совокупного интра-экстрааксонального пространства и является потенциальным индикатором потери аксонов [23, 27]. Фракция аксональной воды и извитость экстрааксонального пространства — параметры, чувствительные к изменениям количества аксонов, а также объема миелина [23, 27].

Работ по применению ДК МРТ в диагностике разных заболеваний ЦНС относительно немного. Так, ранее нами было проведено пилотное исследование у здоровых добровольцев [13]. При исследовании пациентов с болезнью Альцгеймера E. Fieremans и соавт. [28] определили различия параметров у пациентов со слабо выраженной степенью амнезии и здоровых добровольцев. В работах других авторов параметры куртозиса использовались для изучения степени злокачественности глиом головного мозга [29, 30], а также в оценке перитуморального отека при глиобластомах и метастазах в головном мозге [31].

До последнего времени исследования с применением ДК МРТ проводились преимущественно у пациентов с легкой ЧМТ, при травме мозга средней и тяжелой степеней, но в период отдаленных последствий, а также на моделях травмы мозга у животных [5, 18, 19, 22, 23, 26, 32—36].

При планировании этой работы мы предполагали, что с помощью ДК МРТ будет возможным изучить микроструктурные повреждения не только белого, но и серого вещества подкорковых ядер, таламусов, области ретикулярной формации ствола мозга.

Цель нашего исследования — изучение новых биомаркеров повреждения белого и серого вещества мозга, полученных с помощью ДК МРТ у пациентов с тяжелым ДАП.

Проведено проспективное когортное исследование 12 пациентов (9 мужчин и 3 женщины) в возрасте 18—57 лет (средний возраст 29,3±11 года) с тяжелым ДАП (рис. 1),

Механизмом травмы у 10 пациентов были дорожно-транспортные происшествия, у 1 — удар по голове тяжелым предметом с большим ускорением, у 1 — обстоятельства травмы точно не известны.

Демографические и клинические данные пациентов приведены в табл. 1.

При поступлении 11 пострадавших были в коме (ШКГ ≤8), 1 — в сопоре (ШКГ=9). Исходы через 6 мес по ШИГ были следующими: у 8 пациентов умеренная инвалидизация, у 2 — глубокая инвалидизация, у 1 — вегетативный статус, и 1 пациент скончался (см. табл. 1). Таким образом, у 4 из 12 пациентов отмечались неблагоприятные исходы (глубокая инвалидизация, вегетативное состояние, смерть), а у остальных пациентов через 6 мес наблюдалась умеренная инвалидизация.

Первые МРТ-исследования пациентам выполнили на 5—19-е сутки после травмы, а у 7 из них провели повторные исследования в сроки от 61 до 249 сут после травмы.

МРТ-исследования проведены на 3T МР-томографе c 8-канальной катушкой (Signa HDxt, «GE Healthcare»). Стандартный протокол для обследования пациентов с ЧМТ включал аксиальные срезы толщиной 5 мм: Т1-взвешенные изображения (fast spin echo, FSE), Т2-взвешенные изображения (FSE), T2-FLAIR; режим SWAN (ТЕ 42,5 мс, TR 91,5 мс, флип-угол 20°, толщина среза 2,8 мм, FOV=22 см). Для получения ДК МРТ применяли следующие параметры: эхопланарную импульсную последовательность, SE-EPI, TR 10 000 мс, ТЕ 102,8 мс, матрицу, равную 80×80, 32 среза, FOV=24 см, размер вокселя 3×3×3 мм³. Каждому пациенту выполняли по два эхо-планарных сканирования, отличающихся диффузионными «весами» (b-факторами): b=1000 и b=2500 с/мм². Использовались набор из 60 изотропных направлений диффузионных градиентов и одно «нулевое» направление, для которого b=0. Общее время сканирования ДК МРТ составило 22 мин. Постобработка полученных изображений [13] включала удаление шумов в программной среде Matlab (MATLAB (MathWorks, USA, http://www.mathworks.com/) по алгоритму S. Aja-Fernández [37], коррекцию движений и коррекцию вихревых токов в программе FSL (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/). Для повышения соотношения сигнала и шума выполнялось размытие по Гауссу с ядром 2,5×2,5×2,5 мм. Параметрические карты метрик диффузии и куртозиса были вычислены в программе Explore DTI (http://exploredti.com/). Выбор зон измерения на диффузионных картах проведен в ITK-Snap (США)

http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php)

Математическая модель ДК МРТ была описана ранее в серии работ [12, 13, 27, 38].

ДК МРТ включает данные ДТ МРТ, поэтому одномоментно получали параметрические карты как диффузионного тензора (отражающие гауссовское распределение), так и диффузионного куртозиса (негауссовское распределение). Для белого и серого вещества получали параметрические карты среднего, аксиального, радиального куртозиса (mean, axial, radial kurtosis — MK, AK, RK), куртозисной анизотропии (kurtosis anisotropy — KA); для белого вещества — фракционной анизотропии (fractional anisotropy — FA), фракции аксональной воды (axonal water fraction — AWF), аксиальной и радиальной экстрааксональной диффузии (axial, radial extra-axonal space diffusivity — AxEAD, RadEAD), извитости экстрааксонального пространства (tortuosity of extra-axonal space — TORT) [23, 27]. Анатомические зоны интереса (region of interest— ROI) были выбраны опытным рентгенологом (с опытом работы более 20 лет) на картах FA независимо от наличия или отсутствия в этих зонах очагов повреждения и перенесены автоматически на другие параметрические карты. Размеры ROI варьировали в зависимости от анатомической зоны и были выделены билатерально в проекции семиовальных центров, колене и валике мозолистого тела, переднем бедре внутренней капсулы, скорлупе, таламусе, по ходу кортикоспинальных трактов — в заднем бедре внутренней капсулы, на уровне ножек мозга (зоны интереса выбраны на двух уровнях), моста, а также в проекции ретикулярной формации на уровне моста и среднего мозга (рис. 2).

Статистический анализ выполнен с помощью языка программирования R (www.r-project.org, версия 3.4.4) в среде разработки RStudio (версия 1.1.442). Тестировали гипотезу о различии в распределениях значений количественных переменных в независимых выборках с помощью теста Манна—Уитни. Парные сравнения непрерывных случайных величин проводили с помощью критерия Вилкоксона. Различия признавали достоверными на уровне статистической значимости p<0,05. Для коррекции результатов множественных тестирований с контролем ожидаемой доли ложных отклонений гипотез применяли метод Бенджамини—Хохберга [39].

Результаты первого МРТ-исследования, выполненного в сроки от 5 до 19 сут после травмы с использованием стандартных последовательностей (Т1, Т2, T2-FLAIR, ДВИ), а также 3D-градиентного эха — SWAN, показали, что у всех пациентов имели место в разных сочетаниях признаки повреждения субкортикальных и глубинных отделов белого вещества, мозолистого тела, подкорковых ядер, таламусов, ствола мозга, которые свидетельствовали о наличии ДАП. Кроме того, у 1 из них наряду с ДАП выявлены признаки кортико-субкортикальных очаговых ушибов мозга, у 3 — субдуральные гематомы.

Сравнения средних показателей ДТИ и ДКИ ± стандартное отклонение (СО) в зонах интереса у пациентов и здоровых добровольцев представлены в табл. 2 (указаны

Табл. 2 демонстрирует, что было получено достоверное снижение фракционной анизотропии (FA) (p<0,05) в различных структурах белого вещества мозга в острой стадии ДАП (рис. 3).

Средний куртозис не показал достоверных изменений у пациентов при первом исследовании по сравнению со здоровыми добровольцами, но при сравнении данных первого и второго исследований было выявлено снижение МК в динамике (рис. 6, табл.

В исследовании было выявлено достоверное снижение фракции аксональной воды в отдельных структурах белого вещества мозга (p<0,05), а также показателя извитости экстрааксонального пространства в большинстве ROI в белом веществе мозга, наиболее выраженное в области колена (3,02 vs 4,18; p=0,002) и валика (2,42 vs 4,12; p=0,0002) мозолистого тела (рис. 7).

В представленном исследовании впервые были изучены параметры диффузионно-куртозисной МРТ у пациентов с тяжелым ДАП. Результаты исследования показали, что имеются обширные изменения как белого, так и серого вещества мозга в остром периоде ЧМТ.

ДК МРТ дает возможность получить параметры негауссовской модели диффузии, более четко отражающие сложную микроструктуру тканей мозга. Представленное исследование, однако, показало также снижение фракционной анизотропии (p<0,05), гауссовского параметра, во многих зонах интереса в белом веществе мозга.

КА является параметром определения тканевой анизотропии, позволяющим исследовать зоны мозга со сложной структурой в области пересечения волокон белого вещества мозга, что недооценивает FA [24, 25]. В нашем исследовании показатели КА были снижены (p<0,05) в большинстве зон интереса в белом веществе: в проекции семиовальных центров, заднем бедре внутренней капсулы, ножках мозга, мосту (т.е. по ходу кортикоспинальных трактов), что дополняет информацию о распространенности повреждения, получаемую при помощи показателя FA (гауссовской модели диффузии).

RK — параметр, измеряемый вдоль радиального направления диффузионного эллипсоида, может являться маркером целостности клеточных мембран и миелиновых листков [12]. RK обычно высокий в белом веществе, так как клеточные мембраны и миелиновые оболочки способствуют движению молекул воды по негауссовским законам. Снижение параметров радиального куртозиса по ходу кортико-спинальных трактов в нашем исследовании (p<0,05) могло наблюдаться вследствие повышения диффузии в радиальном направлении разрушенных аксонов. RK, по мнению A. Steven и соавт. [12], — чувствительный маркер повреждения белого вещества, дающий информацию о гетерогенности тканей от аксональных мембран и степени миелинизации.

АК — параметр, измеряемый вдоль аксиального направления диффузионного эллипсоида, т. е. вдоль волокна, — обычно низкий в белом веществе, так как диффузия вдоль аксиального направления аксонов свободная и относительно неограниченная [12]. В нашем исследовании АК повышался (p<0,05), вероятно, вследствие нарушения структуры тканей и оказался чувствительным к повреждению как белого, так и серого вещества. Ранее, в исследованиях пациентов с острыми и подострыми нарушениями мозгового кровообращения, выявлено значимое повышение параметра АК даже в тех зонах, в которых не наблюдалось изменений на диффузионно-взвешенных изображениях [40]. Причиной этих изменений посчитали нарушение структуры поврежденных тканей и осмотический дисбаланс в результате отека аксонов и дендритов во время инфаркта [12, 40]. По мнению авторов этих работ, АК изменяется при повреждении внутриклеточных структур, тогда как RK, вероятно, более подвержен изменениям при нарушении клеточных мембран и миелиновых оболочек. В работе M. Lancaster и соавт. [19] обследовали 26 пациентов с сотрясением мозга и обнаружили повышение параметра АК в разных отделах белого вещества больших полушарий как при исследовании в 1-е сутки после травмы, так и еще большее повышение при исследовании через 8 дней, что авторы гипотетически объясняют ограничением диффузии вдоль аксонов во внеклеточном пространстве после их травматического растяжения и формирования утолщений.

МК — это величина, на которую диффузионное распределение отклоняется от гауссовского. Считается, что МК может отражать степень потери клеточных структур, а снижение его может быть интерпретировано как снижение общей гетерогенности тканей и наблюдается при дегенеративных изменениях и атрофии нейронов и аксонов [14, 18, 38]. В исследовании с помощью экспериментальной модели травмы мозга на крысах [26], однако, выявили повышение МК, которое сочеталось с повышением глиальной активности и реактивным астроглиозом. В нашей работе МК не был значимо изменен при первом ДК МРТ-исследовании, однако при сравнении данных первого и второго исследований было определено достоверное снижение этого параметра преимущественно в структурах белого вещества, что может быть обусловлено нарастанием дегенерации тканей мозга в динамике. Повторные МРТ-исследования, выполненные у 7 из 12 пациентов в сроки от 61 до 249 сут после травмы, показали, что у всех этих пациентов были в той или иной степени диффузные атрофические изменения мозга.

E. Grossman и соавт. [18, 22] обнаружили снижение МК в таламусе и заднем бедре внутренней капсулы в сочетании со снижением объемного мозгового кровотока при ASL-перфузии в таламусах у пациентов с легкой ЧМТ и посттравматическими когнитивными нарушениями. Авторы работы предположили, что имеется зависимость между структурными изменениями таламусов и когнитивными функциями, а снижение МК, вероятно, можно объяснить снижением общей диффузионной гетерогенности тканей и дегенеративными изменениями, однако в итоге утверждают, что точная интерпретация параметров требует дальнейших исследований. В работе E. Grossman и соавт. [22] ДК МРТ-исследования были проведены на 5—54-е сутки после ЧМТ, а в работе E. Grossman и соавт. [18] — в сроки от нескольких недель до 9,5 года после легкой ЧМТ, что не исключает других причин изменений структуры тканей мозга со снижением МК и объемного мозгового кровотока.

J. Stokum и соавт. [5] в исследованиях пациентов с легкой ЧМТ в динамике в остром, подостром и отдаленном периодах получили доказательства снижения МК и RK в переднем бедре внутренней капсулы при трех последовательных МРТ, а также снижения МК в заднем бедре внутренней капсулы только при первом исследовании. Они объяснили такие нераспространенные изменения различными механизмами травмы у пациентов, а также тем, что ответ белого вещества на травму может быть различным в разных структурах мозга.

E. Fieremans и соавт. [27, 41], E. Grossman и соавт. [23] в своих работах предложили идеализированную двухкомпонентную модель белого вещества мозга in vivo и новые тканевые параметры, которые рассчитываются по данным ДК МРТ. Они определили, что аксиальная и радиальная экстрааксональная диффузия является потенциальным маркером изменений вне аксонов, включающих внеклеточное воспаление, глиоз, демиелинизацию, а фракция аксональной воды — потенциальным маркером потери аксонов и выражает отношение объема воды в интрааксональном пространстве к сумме объемов воды в интра- и экстрааксональном пространстве, исключая миелин. Извитость экстрааксонального пространства является потенциальным маркером демиелинизации [23, 27, 41]. Эти параметры не являются информативными для серого вещества, так как в нем не выполняются условия двухкомпонентной модели.

В нашей работе все эти ДК-параметры, отражающие целостность белого вещества, значимо изменялись во многих зонах интереса при травме, но наибольшие изменения мы обнаружили при исследовании извитости экстрааксонального пространства. Было выявлено его достоверное снижение в большинстве зон интереса, что согласуется с данными, полученными в работах E. Fieremans и соавт., E. Grossman и соавт. [23, 27, 41]. По мнению этих авторов, показатель извитости косвенно оценивает фракцию миелинизированных аксонов.

A. Steven и соавт. [12] в своей работе показали, что данные ДК МРТ могут являться суррогатными маркерами для определения потери нейрональной массы.

Таким образом, наибольшее внимание исследователей уделено изучению ДК МРТ при легкой ЧМТ [5, 18, 19, 22, 23]. Мы исследовали наиболее тяжелую группу пациентов с ДАП, большинство из них (11 из 12) находились в коме в остром периоде ЧМТ, а 1 — в сопоре.

Представленное исследование имеет некоторые ограничения. Во-первых, небольшое количество проанализированных пациентов, а 7 из них повторные МРТ были сделаны в разное время после травмы. В то же время исследование выполнено в достаточно однородной группе больных, идентичных по тяжести и виду травмы, но это не позволило проводить корреляцию основных параметров со степенью тяжести и исходами (для этого необходимо большее количество наблюдений). Во-вторых, ограничением ДК МРТ является относительно длительное время получения данных по сравнению с ДТИ, эта модель более сложная в постобработке данных. И, в-третьих, точный смысл представленных параметров куртозиса еще изучается, значение параметров может быть подтверждено только при гистологическом анализе [23].

Исследование показало, что ДК МРТ дает новую информацию о процессах при ДАП, что углубляет наше понимание патофизиологии травмы мозга. Новые параметры потенциально смогут стать биомаркерами повреждения мозга, а также возможными предикторами исходов.

Достоверные изменения параметров ДК МРТ в различных структурах мозга показали, что при тяжелом травматическом диффузном повреждении наблюдаются не только вероятные признаки дезинтеграции, демиелинизации, потери аксонов, но и изменения серого вещества подкорковых структур и ствола мозга, что можно однозначно верифицировать только морфологически.

Гетерогенность повреждений при диффузном аксональном повреждении обусловливает необходимость дальнейшего накопления данных для более точного исследования клинического и прогностического значения параметров ДК МРТ.

Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ № 16−04−01

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Н.Е., А.А., И.Н.

Сбор и обработка материала — Н.Е., Е.В., А.И., С.А.

Статистический анализ данных — Г. В., Л.М., Э.Л.

Написание текста — Н.Е.

Редактирование — И.Н., А.А.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

*e-mail: nzakharova@nsi.ru

Диффузное аксональное повреждение (ДАП) — один из самых тяжелых видов ЧМТ, поэтому изучение новых биомаркеров такого повреждения мозга является актуальной проблемой. В представленной работе рассматриваются изменения, наблюдаемые при тяжелом диффузном повреждении, с использованием различных параметров диффузионной МРТ с акцентом на диффузионный куртозис. Статья посвящена важному клиническому вопросу.

Диффузионно-куртозисная МРТ (ДК МРТ) с определением параметров куртозиса дает количественную оценку негауссовских процессов диффузии воды и, по мнению некоторых исследователей, более достоверно отражает состояние биологической микросреды и гетерогенности структуры тканей мозга человека, особенно в области пересечения волокон белого вещества. При помощи ДК МРТ также возможны исследования серого вещества, что является значимым дополнением при изучении травмы мозга. Ранее ДК МРТ применялась для исследования пациентов с болезнью Альцгеймера, при изучении глиом головного мозга и других заболеваний центральной нервной системы. До последнего времени ДК МРТ-исследования проводились преимущественно у пациентов с легкой ЧМТ. При травме мозга средней и тяжелой степени такие исследования были сделаны в основном в период отдаленных последствий.

При выполнении этой работы авторы выдвинули гипотезу о том, что с помощью ДК МРТ возможно изучить микроструктурные повреждения не только белого, но и серого вещества подкорковых ядер, таламусов, области ретикулярной формации ствола мозга.

Целью представленного авторами исследования явилось изучение новых биомаркеров повреждения белого и серого вещества мозга, полученных с помощью ДК МРТ у пациентов с тяжелым ДАП.

Результаты исследования показали, что в остром периоде ДАП имеются распространенные изменения белого и серого вещества мозга, наблюдаются не только вероятные признаки дезинтеграции, демиелинизации, потери аксонов, но и поражение серого вещества подкорковых структур и ствола мозга, что можно однозначно верифицировать только морфологически.

Исследование показало, что ДК МРТ углубляет наши знания о микроструктурных повреждениях при ДАП и знания патофизиологии травмы мозга в общем. Действительно, полученные параметры, возможно, могут стать не только биомаркерами повреждения мозга, но и предикторами исходов. Несмотря на некоторые ограничения — небольшое количество пациентов в исследовании и невозможность проведения корреляционного анализа основных параметров со степенью тяжести и исходами, для которого было бы необходимо большее количество наблюдений, — исследование проведено на хорошем уровне.

Однако точный смысл представленных параметров куртозиса еще изучается. Вариабельность и различная распространенность повреждений при ДАП обусловливают необходимость дальнейшего накопления данных для исследования клинического и прогностического значения параметров ДК МРТ.

А.И. Холодный (Нью-Йорк)