FUNKCIONÁLIS MÁGNESESREZONANCIA-VIZSGÁLAT 1 TESLA TÉRERÔN. ALAPPARADIGMÁK ÉS KLINIKAI ALKALMAZÁS

Átírás

1 ESETISMERTETÉS FUNKCIONÁLIS MÁGNESESREZONANCIA-VIZSGÁLAT 1 TESLA TÉRERÔN. ALAPPARADIGMÁK ÉS KLINIKAI ALKALMAZÁS Schwarcz Attila 1, 2, Auer Tibor 1, Komoly Sámuel 3, Dóczi Tamás 1, Janszky József 3 1 Pécsi Tudományegyetem, Idegsebészeti Klinika, Pécs 2 Pécsi Diagnosztikai Központ, Pécs 3 Pécsi Tudományegyetem, Neurológia Klinika, Pécs FUNCTIONAL MRI AT 1 TESLA. BASIC PARADIGMS AND CLINICAL APPLICATION Schwarcz A, MD, PhD; Auer T, MD; Komoly S, MD, PhD, DSc; Dóczi T, MD, PhD, DSc; Janszky J, MD, PhD Ideggyogy Sz 2007;60(7 8): CÉLKITÛZÉS Funkcionális MR-vizsgálatok elvégzése alacsony térerôn. Rutinvizsgálati protokoll beállítása az idegsebészeti mûtétek tervezésének segítése, illetve epilepsziás betegek kivizsgálása céljából. MÓDSZER Optimalizált echoplanaris képalkotáson alapuló kétdimenziós szekvenciát használtunk funkcionális MR-képek készítésére. A vizsgált agyi funkció belsô szógenerálásból és az ujjak mozgásából állt. Továbbá, mentális tájékozódás során, egyéni visuospatialis emlékképeket idéztettünk fel a vizsgált alannyal. EREDMÉNYEK Alacsony felbontású (64 64-es mátrix) funkcionális MR-képek kielégítôen mutatták a motoros cortexet, illetve a beszédközpontokat. A mentális tájékozódás során a formatio hippocampalis kétoldali aktivációját figyeltük meg. A motoros cortex elhelyezkedését egy epilepsziás beteg esetében is megvizsgáltuk, akinek az epilepsziás fókusza a gyrus prae- és postcentralis területében helyezkedett el. Kimutattuk, hogy a motoros cortex ipsilateralisan diszlokálódott. KÖVETKEZTETÉSEK Funkcionális MR-képalkotás alacsony térerôn is kivitelezhetô, klinikailag jól értékelhetô, ha az MR-képalkotó paramétereket és paradigmákat megfelelôen optimalizálják. Kulcsszavak: funkcionális MR, 1 Tesla, BOLD AIM OF THE STUDY To perform functional MRI experiments at low magnetic field, and to set up routine protocol to help the planning of neurosurgical operations and the examination of epilepsy patients. METHODS An optimized 2D EPI sequence was applied to yield functional MR images in basic paradigms such as finger tapping and internal word generation. Further, activation was induced also by a task involving mental navigation based on the retrieval of individually familiar visuo-spatial knowledge. RESULTS Low resolution (matrix of 64 64) functional MR images satisfactorily visualized moto-sensor strip and speech centers. In the mental navigation task bilateral activation of formatio hippocampalis was observed. Determination of motor area was also performed in an epilepsy patient whose seizure focus had been found in the area of pre- and postcentral gyrus. The dislocation of the motor cortex was demonstrated. CONCLUSION Functional MR images with fine quality can be obtained in basic paradigms even at low magnetic field if MR imaging parameters and paradigms are optimized. Keywords: functional MR, 1 Tesla, BOLD Levelezô szerzô (correspondent): Dr. Schwarcz Attila, Pécsi Tudományegyetem, Idegsebészeti Klinika, 7624 Pécs, Rét u. 2. Telefon: (72) , fax: (72) attila.schwarcz@aok.pte.hu Érkezett: december 5. Elfogadva: december Ideggyogy Sz 2007;60(7 8):

2 Kezdetben a mágneses rezonanciás képalkotást (MR) pusztán az agy anatómiai és patológiás struktúráinak feltérképezésére, strukturális elváltozások keresésére és azok vizsgálatára használták. Ogawa és munkatársai felfedezésének köszönhetôen azonban újabb lehetôséggel bôvült az MR felhasználásának köre 1, 2. Az MR-rel nemcsak az adott agyterület struktúrája vizsgálható, hanem a funkciója is. Ezt az eljárást funkcionális MR-nek (fmr) nevezik. Az fmr-t nemcsak az alapkutatásban az agy funkcionális feltérképezésére használhatjuk, hanem a klinikumban is számos területen fontos szerepet játszhat a beteg állapotának felmérésében, például az epilepszia kivizsgálásában 3, 4 és az idegsebészeti mûtétek elôtti tervezésben. BOLD Roy és Sherrington már 1896-ban felfedezték, hogy az agyi tevékenység fokozódásával növekszik az aktív terület vérellátása is 5. Erre a megfigyelésre épül az oxigénizotóppal végzett pozitronemissziós tomográfia (PET) is. Fox és munkatársai megfigyelték, hogy az aktív agyterületben jobban növekszik az artériás vér beáramlása, mint az oxigénfelhasználás 6, 7. Ez pedig azzal jár, hogy a dezoxihemoglobin szintje lokálisan csökken, mintegy kimosódik. Ogawa és munkatársai ezt a megfigyelést felhasználva vizsgálták az idegi aktivitást az agyterületen áramló vér oxigenizáltsági fokának megváltozásától függôen (blood oxygenation level dependent: BOLD) MR segítségével. Aktív agyterületekben csökken a paramágneses tulajdonságú dezoxihemoglobin szintje. Ezért lokálisan csökken a mágneses szuszceptibilitás, amely hosszabb T2*-relaxációs idôt eredményez, vagyis nô a regisztrált jel erôssége. AZ FMR-KÉPALKOTÁS 1 TESLÁVAL Fejlettebb országokban a jobb anyagi lehetôségeknek köszönhetôen az fmr-vizsgálatokat jobb érzékenységû, nagyobb térerejû MR-készülékeken végzik. Másrészt az MR-gyártó cégek is a nagyobb térerejû készülékek használatára ösztönzik a felhasználókat a jobb jel/zaj viszony miatt. Azonban az irodalomban már több közleményben is bemutattak megbízható fmr-vizsgálatot alacsony térerôn (maximum 1 T) 8, 9. A fejlesztéseknek köszönhetôen a modern 1 T-s készülékekkel jobb homogenitás és érzékenyebb jeldetektálás érhetô el. Ez lehetôvé teszi a korábban nagyobb térerôt igénylô vizsgálatok (például az fmr) elvégzését is. Magyarországon a kórházakban elérhetô MRkészülékek többsége is 1 T-s mágneses térerejû, hasonlóan a Pécsi Diagnosztikai Központban található készülékhez. Bemutatjuk, hogy alacsony térerôn (1 T) is lehet jó minôségû fmr-vizsgálatot végezni. Ezzel szeretnénk hozzájárulni ahhoz, hogy az fmrvizsgálat Magyarországon is mind szélesebb körben elterjedjen. Alapkísérleteket mutatunk be, valamint egy esettanulmányon keresztül demonstráljuk a fmr lehetséges klinikai használatát. Módszer MR-MÓDSZER 1. ábra. Az fmr-vizsgálat menetrendje. Folyamatos EPI közben az alany 20 másodpercig végezte a kijelölt feladatot (aktív fázis), majd 20 másodpercig pihent (inaktív fázis). Két másodperces repetíciós idô (TR) mellett mind aktív, mind inaktív fázisban felvétel készült. Ezek közül nyolc-nyolc kép került be a statisztikai analízisbe, mert az aktív-inaktív átmeneti fázisban nyert két-két képet elhagytuk. Az aktív és az inaktív állapotot hat-hatszor ismételtük, vagyis a teljes vizsgálat hatszor 40 másodpercig, azaz négy percig tartott EPI: echoplanar-imaging Vizsgálatainkat syngo-alapú Siemens Magnetom Harmony típusú, 1 T-n mûködô klinikai MRszkenneren végeztük. A jel detektálására és gerjesztésére standard Siemens fejtekercset alkalmaztunk. Az fmr-képeket kétdimenziós echoplanar-imaging (EPI) szekvenciával nyert képek értékelésével nyertük. Az EPI-szekvencia paraméterei a következôk voltak: TR/TE: 2000 ms/80 ms, spektrális ablak sávszélessége (receiver bandwidth): 750 Hz, felbontás: 64 64, a vizsgált szelet nagysága (field of view): mm, szeletvastagság: 5 mm. A mozgáskorrekciót és az adatfeldolgozást a Syngo felhasználói felületbe beépített opció felhasználásával végeztük. A nyugalmi és aktivált állapotban nyert felvételen a szignifikáns intenzitáskülönbséget mutató pixeleket t-próba segítségével különítettük el. A z-érték minden esetben nagyobb volt, mint 3,5. Az ehhez tartozó szignifikanciaszint: p<0, Schwarcz: Funkcionális MR 1 Tesla térerôn

3 AZ FMR-PARADIGMÁK Az alapvizsgálatokat egészséges felnôtteken végeztük. A vizsgálat során folyamatosan EPI-felvételeket készítettünk több szeletben; közben a vizsgálati alany periodikusan hajtotta végre inaktív szakaszokat közbeiktatva az adott feladatot. Mind aktív, mind inaktív fázisban tíz-tíz felvételt nyertünk, és az aktív-inaktív átmeneti fázisban nyert két kép nem került be a statisztikai analízisbe. Az aktív és az inaktív állapotot hat-hatszor ismételve a teljes vizsgálati idô egy paradigmára négy percet tett ki (1. ábra). A következô paradigmákat alkalmaztuk: a) Ujjak összeérintése (fingertapping): A vizsgálat a gyrus praeés postcentralisban jelentkezô aktivitás kimutatására alkalmas, szenzomotoros inger alkalmazásával. Az alany az aktív fázis közben hüvelykujjához érinti hozzá külön-külön a többi ujját, minél gyorsabban. b) Belsô szógenerálás: A paradigma a beszédközpontokban (Broca- és Wernicke-área) jelentkezô aktivitást vizsgálja. Az alany az aktív fázisban általunk kijelölt betûvel kezdôdô szavakra gondol anélkül, hogy kimondaná. c) Mentális navigáció (visuospacialis memória használata 10 ): Az eljárás a formatio hippocampalisban fellépô aktivitást vizsgálja. Az alany az aktív fázisban gondolatban próbál eljutni egy általa ismert helyszínrôl egy másikra (például otthonról a munkahelyére). A feladat lényege, hogy minél több általa ismert helyszínt próbáljon felidézni a gondolatbeli út során. Eredmények ÉP CORTEX AKTIVÁCIÓJÁNAK FMR-VIZSGÁLATA A B C 2. ábra. Az ábra az értékelt EPI-felvételeket mutatja. Az aktív területek a képeken fehérrel ábrázolódnak. Azt tekintjük valódi aktivációnak, ahol egymás mellett legalább négy pixel jelnövekedést mutat. Az ábrán elszórtan jelentkezô, illetve az agyon kívül található egy-egy fehér pixel mûterméknek tekinthetô. A 2.A képeken a bal oldalon jól ábrázolódik a gyrus prae- és postcentralisnak megfelelô terület az ujjmozgatásos paradigmában. A 2.B képeken jól látható a bal oldalon elhelyezkedô Broca-, illetve Wernicke-mezô; és további aktiváció figyelhetô meg a köztük elhelyezkedô, hangképzésben részt vevô motoros kéregben is. Itt belsô szógenerálási feladatot hajtott végre a vizsgálati alany. A 2.C képeken mindkét oldalon a formatio hippocampalisban, a fornixban, illetve a parietalis kéregben figyelhetünk meg aktivitást. Visuospatialis emlékképeket idéztettünk fel az alannyal a módszertani fejezetben leírtak szerint EPI: echoplanar-imaging A B C A 2. ábra mutatja a paradigmák szempontjából releváns magasságban készült EPI-felvételeket. Az aktivációs fázis alatt szignifikáns (z >3,5) jelnövekedést mutató pixeleket a képeken fehérrel ábrázoltuk. Valódi aktivációnak tekintjük, ha egymás mellett legalább négy pixel jelnövekedést mutat. Az ábrán elszórtan jelentkezô egy-egy fehér pixel mûterméknek tekinthetô. A 2.A képeken a bal oldalon jól ábrázolódik a jobb oldali ujjmozgások során aktivitást mutató gyrus prae- és postcentralisnak megfelelô terület. A 2.B képeken jól látható a bal oldalon elhelyezkedô Broca-, illetve Wernicke-mezô, amelyek a belsô szógenerálás során aktiválódnak. További aktiváció figyelhetô meg a Broca- és Wernicke-mezôk között elhelyezkedô, hangképzésben részt vevô motoros kéregben, annak ellenére, hogy tényleges hangképzés nem történt. A 2.C képeken a mentális navigáció során aktivitást figyelhetünk meg mindkét oldalon a hippocampusban, a fornixban, illetve a parietalis kéregben. Ideggyogy Sz 2007;60(7 8):

4 ESETISMERTETÉS 3. ábra. A 28 éves nôbeteg fejérôl készült MR-felvétel. A képen nyíl mutat a jobb centrális régióban található epileptogen laesióra, amely feltehetôleg dysgenesis Egy beteg példáján keresztül szeretnénk szemléltetni az fmr klinikai hasznát. A 28 éves nôbeteg évek óta terápiarezisztens epilepsziában szenved, amely bal oldali szenzomotoros Jackson-rohamokban nyilvánul meg. Korábbi vizsgálatok során fény derült a jobb centrális régióban található epileptogen laesióra, feltehetôleg dysgenesisre (3. ábra). Fontos volt annak tisztázása, hogy az epileptogen laesio esetleges eltávolításakor károsodhatnak-e a normális motoros funkciók. A betegnél a módszertani fejezetben ismertetett finger-tapping paradigma szerint fmr-vizsgálatot végeztünk. A jobb oldali ujjak mozgatása a bal oldali ép centrális régióban normális aktivitást váltott ki (2.A ábra). Míg a bal oldali ujjak mozgatása során észlelt aktiváció a laesio területétôl hátrafelé és fölfelé helyezkedett el (4. ábra). Ezért úgy tûnik, hogy a normális motoros funkcióban a dysgeneticus terület nem játszik szerepet, a szenzomotoros cortex diszlokálódott, de a kontralaterális reorganizáció nem történt meg. Megbeszélés Az fmri által az agyi aktivitásról nyújtott információ jól hasznosítható a neuropszichológiai alapkutatásban és a mindennapos klinikai gyakorlatban is. Az idegsebészeti mûtétek elôtti tervezésnél az elokvens agyi területek vizualizálása sok esetben elengedhetetlen, például a gyrus prae- és postcentralis határainak pontos kijelölése centrálisan elhelyezkedô, diszlokációt okozó tumor esetében. Továbbá a balkezes betegek 30%-ában és a temporalis lebeny epilepsziában szenvedô betegek 25%-ában atípusos beszédközpont-lokalizáció figyelhetô meg. Ugyancsak hasznos információ nyerhetô az epilepsziás betegek vizsgálatakor. Például temporalis lebeny epilepsziában szenvedô betegek esetében a fókusz oldalán a formatio hippocampalisban kisebb aktiváció vagy az 4. ábra. A 28 éves nôbeteg agyáról készült fmr-felvétel. Jól látható, hogy az aktivációt mutató terület a dysgeneticus területtôl hátrafelé és fölfelé helyezkedik el. A beteg ellenoldali agyféltekéjében jelentkezô normális aktivációt a 2.A ábra mutatja aktiváció hiánya figyelhetô meg memóriaparadigma során 10. Ezek a funkcionális vizsgálatok PET-tel is elvégezhetôk, azonban az fmr nagy elônye, hogy nem igényli radioaktív kontrasztanyag befecskendezését, a vizsgálati idô viszonylag rövid (néhány perc a vizsgálat menetétôl függôen), a nyert felvétel felbontása sokkal jobb, szélesebb körben hozzáférhetô és olcsóbb. Mivel Magyarországon fôleg 1 T-s készülékek mûködnek, célunk volt annak bemutatása, hogy alacsony térerôn is lehet funkcionális MRvizsgálatokat végezni. Az alacsony térerôn végzett fmr-vizsgálat nem új keletû; korábban már közöltek néhány fmr-rel kapcsolatos vizsgálatot, amelyet 1 T-n vagy még alacsonyabb mágneses térerôn végeztek 8, 9. Az MRhardver fejlôdésével (jobb B 0 -homogenitás, érzékenyebb jeldetektálás, jobb shim-módszerek) az fmrvizsgálatok már alacsony térerôn is könnyebben elvégezhetôk. Ehhez szükséges a jel/zaj viszony maximalizálása; ezért alacsony térbeli felbontást, hosszabb repetíciós idôt, legalacsonyabb sávszélességû spektrális ablakot alkalmaztunk. Az optimalizálandó paraméterek közül kiemelendô az echoidô (TE), hiszen hosszabb TE mellett a jel/zaj viszony drasztikusan csökken, ugyanakkor a T2*-ból eredô kontraszt nô. A képeink minôsége amelyeket például a mentális navigáció során nyertünk eléri azt a színvonalat, mint amely a bielefeldi epilepsziacentrumban lévô 1,5 T-s készülékkel nyerhetô 10. Eredményeink szerint a Magyarországon rendelkezésre álló, alacsony térerejû készülékek is alkalmasak fmr-vizsgálatok végzésére. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A kutatásokat a Magyar Neuroimaging Alapítvány, az ETT 176/2006 és az ETT 219/2006 támogatta. 340 Schwarcz: Funkcionális MR 1 Tesla térerôn

5 IRODALOM 1. Ogawa S, Lee TM, Kay AR, Tank DW. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc Natl Acad Sci USA 1990;87: Ogawa S, Tank DW, Menon R, Ellerman JM, Kim S-G, Merkle H. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: Functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proc Natl Acad Sci USA 1992;89: Janszky J, Jokeit H, Kontopoulou K, Mertens M, Ebner A, Pohlmann-Eden B, et al. Functional MRI predicts memory performance after right mesiotemporal epilepsy surgery. Epilepsia 2005;46: Janszky J, Ebner A, Kruse B, Mertens M, Jokeit H, Seitz RJ, et al. Functional organization of the brain with malformations of cortical development. Ann Neurol 2003;53: Roy CS, Sherrington CS. On the regulation the blood supply of the brain. J Physiol (Lond) 1896;11: Fox PT, Minutun MA, Raichle ME, Herscovitch P. A noninvasive approach to quantitative functional brain maping with H 2 (15) O and positron emission tomography. J Cerebr Blood Flow Metab 1984;4: Fox PT, Raichle ME. Focal physiological uncoupling of cerebral blood flow and oxidative metabolism during somatosensory stimulation in human subject. Proc Natl Acad Sci USA 1986;83: Deblaere K, Boon PA, Vandemaele P, Tieleman A, Vonck K, Vingerhoets G, et al. MRI language dominance assessment in epilepsy patients at 1.0 T: region of interest analysis and comparison with intracarotid amytal testing. Neuroradiology 2004;46: Schulder M, Azmi H, Biswal B. Functional magnetic resonance imaging in a low-field intraoperative scanner. Stereotact Funct Neurosurg 2003;80: Jokeit H, Okujava M, Woermann FG. Memory fmri lateralizes temporal lobe epilepsy. Neurology 2001;57: Ideggyogy Sz 2007;60(7 8):