Исследование структур и функций мозга с помощью анализа изображений

Впоследние годы описанные выше способы изучения мозга (ЭЭГ, измерение мозгового кровотока ксеноновым методом) были дополнены методами, позволяющими получать его изображение. Основную роль.в их разработке и дальнейшем развитии сыграло появление компьютеров, позволяющих обрабатывать большие объемы информации. Методы анализа изображений уже сегодня очень важны для теоретической и практической медицины, и их роль будет возрастать. Сюда относятся, во-первых, рентгенологическая компьютерная

ГЛАВА б. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 143

томография (KT),во-вторых, позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ),и наконец, томография с ядерным магнитным резонансом (ЯМР). Здесь мы коротко, не вникая в детали, рассмотрим достоинства всех этих подходов. Что же касается ультразвуковых методов,то их значение здесь гораздо меньше, чем при исследовании других органов, из-за большой массы костей черепа.

KT. Поскольку различные отделы мозга поглощают рентгеновские лучи примерно одинаково, до последнего времени его рентгенологическое исследование было возможным лишь после введения воздуха в пространства, занимаемые спинномозговой жидкостью (пневмоэнцефалография), или контрастного вещества в одну из крупных артерий головы (ангиография). Оба эти метода небезопасны и неприятны для пациента. При KT через мозг пропускается тонкий пучок рентгеновских лучей, источник которого вращается вокруг головы в заданной плоскости; прошедшее через череп излучение измеряется сцинтилляционным счетчиком. Таким образом получают рентгенографические изображения каждого участка мозга с различных «точек зрения». Далее с помощью сложных компьютерных программ по этим данным рассчитывают радиационную плотность ткани в каждой точке исследуемой плоскости. В результате получают высококонтрастное изображение среза мозга в данной плоскости с пространственным разрешением 0,5-1 мм для слоя толщиной 2-13 мм. Доза облучения при этом не больше, чем при обычном рентгенологическом исследовании.

ПЭТ. При этой методике используют радиоизотопы биологически важных атомов (¹⁸F, ¹⁵O, ¹³Ν, ¹¹C), испускающие позитроны. Каждый позитрон, пройдя короткий (2-8 мм) путь, сталкивается с электроном; при этом обе частицы взаимоуничтожаются с испусканием двух γ-лучей под углом ровно 180°. Эти лучи улавливаются фотодетекторами, расположенными вокруг головы, причем их регистрация происходит лишь в том случае, когда два детектора, расположенные точно друг против друга, возбуждаются одновременно. На основании полученных данных строится изображение в соответствующей плоскости, которое отражает различия в плотности распада изотопа, т.е. в радиоактивности разных участков исследуемого объема ткани. Если изотоп включается в такие вещества, как вода, глюкоза, аминокислоты или другие биологические важные молекулы, можно изучать их распределение в мозгу (пример - упомянутая выше «метаболическая карта» потребления глюкозы мозговыми клетками). Пространственное разрешение при данном методе составляет 4-8 мм, а временн о е - 1 с. Поскольку период полураспада используемых изотопов мал, поблизости от установки ПЭТ должен находиться циклотрон, на котором их получают, поэтому вся эта процедура очень дорога.

ЯМР. Ядерный магнитный резонанс уже давно широко используется для спектроскопического анализа в физике и химии с целью изучения структуры молекул. Для медицинской диагностики необходима дополнительная пространственная информация, позволяющая реконструировать изображение среза, так как исследователя в данном случае интересует не только наличие сигнала, но и местоположение его источника. Соответствующие методики были разработаны лишь недавно. Физические процессы, лежащие в основе ЯМР, сложны. Дело в том, что ядра атомов вращаются, т.е. обладают моментом вращения, или спином; поскольку же в их состав входят протоны, при этом генерируется магнитное поле, полюса которого расположены на оси вращения. Обычно оси вращения различных молекул распределены случайным образом, но

под влиянием внешнего магнитного поля их направления меняются (подобно тому, как стрелка компаса ориентируется в магнитном поле Земли). При соответствующих условиях это приводит к резонансу атомных ядер, в результате чего они испускают электромагнитное излучение. Регистрируются появление и затухание такого резонансного излучения, которые и служат измеряемыми сигналами. Особенно хороший резонатор-ядро атома водорода в составе воды и многих других молекул организма. В связи с этим методом ЯМР в медицине измеряют именно его резонанс, причем изображения можно получать в любых плоскостях. В настоящее время толщина анализируемого слоя составляет 5-10 мм, а пространственное разрешение-около 1 мм. Однако временное разрешение пока остается слабым-10-20 с. Степень контрастности при ЯМР такая же, как при KT, и, безусловно, может быть увеличена. Пока неясно, опасно ли внешнее магнитное поле для здоровья, если его напряженность превышает определенный уровень. В современных диагностических устройствах магнитная индукция составляет 0,2 Тл, а в экспериментальных 2,3 Тл (в 50000 раз выше, чем у магнитного поля Земли) и более. Сейчас считается, что магнитная индукция ниже 2 Тл безвредна.