CОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ НЕЙРОТЕПЛОВИДЕНИЯ
(опубликовано: Биомедицинская Радиоэлектроника.-2010.-№5.-С. 58-62)
В.Л. Анзимиров, А.Г. Гудков, В.Ю.Леушин, Д.И.Цыганов
Последнее тридцатилетие прошлого века ознаменовано введением в практику, как нейрофизиологии, так и клинической медицины нового неинвазивного метода – тепловидения, осуществляющего пассивное дистанционное зондирование инфракрасного излучения и позволяющего быстро и с высокой точностью (до 0,05oС) бесконтактно определять температуры в любых участках организма. Этот метод получил заслуженное признание в медицине при диагностике поражений центральной и периферической нервной системы, оценке локальных воспалительных, травматических, онкологических, сосудистых и дистрофических заболеваний различной локализации, что в нашей стране было подтверждено успешной работой центров термодиагностики, созданных в Нижнем Новгороде и Санкт-Петербурге. В экспериментах на животных, проведенных под руководством проф. И.А. Шевелёва [1-3] в институте высшей нервной деятельности была убедительно показана возможность регистрировать не только локальные тепловые возмущения, но и быстротекущие процессы. Е.Н. Цыкаловым [4], в частности, была показана возможность наблюдения за таким автоволновым процессом, как распространяющейся депрессией в ответ на раздражение коры головного мозга хлористым калием, а также динамикой тепловых полей мозга при холодовых воздействиях. При сенсорных воздействиях удавалось закономерно улавливать локальные повышения температуры в специфических проекционных зонах коры, а затем и в ассоциативных полях.
В НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко при очаговых поражениях центральной и периферической нервной системы с помощью отечественного модернизированного быстродействующего тепловизора ТВ – 03 было обследовано свыше 200 больных, была подтверждена высокая информативность метода при различных поражениях нервной системы. В клинике острой черепно-мозговой травмы, сосудистых, опухолевых заболеваний центральной и периферической нервной системы были обнаружены определённые специфические особенности тепловизионных картин.
Одним из методических ограничений инфракрасного тепловидения является снижение его информативности при глубинно расположенных процессах и экранирующий эффект волосистых покровов черепа. Чтобы избежать этого эффекта, в настоящее время создана новая методика – радиотермография в СВЧ-диапазоне, позволяющая проводить 12 – 16 – канальные динамические исследования глубинных (до 4 см) температур головного мозга при точности измерения около 0,1 С и компьютерной обработке с представлением результатов в виде температурных карт и динамических графиков. Работы по созданию и совершенствованию аппаратно-программного комплекса для неинвазивного выявления патологий живых тканей человека на основе многоканального радиотермографа проводились в ИРЭ РАН, ОАО «Концерн «Вега и ОАО «МКНТ» [5,6].
В работе [7] были подробно изучены особенности получаемых при СВЧ – радиотермографии динамических тепловых картин после проведения различных функциональных проб, значительно расширяющих диагностические возможности метода. Помимо большой диагностической информативности этого неинвазивного и экономически доступного метода следует подчёркнуть и большие возможности и перспективы СВЧ радиотермографии для изучения физиологии головного мозга.
Исследования радиотепловых полей головного мозга у 29-ти здоровых испытуемых были проведены в экранированной затемнённой камере. Антенны радиотермографа располагали согласно международной схеме «10-20», принятой для регистрации ЭЭГ в 18 симметричных зонах лобной, центральной, височной, теменной и затылочной областей обоих полушарий головного мозга (рис. 1) Теплопродукцию мозга исследовали в состоянии относительного покоя и под влиянием различных функциональных нагрузок.
При исследованиях в состоянии покоя у большинства испытуемых (27 чел.) имели место небольшие (до 0,2oС) термоасимметрии в затылочных областях, которые в остальных участках мозга не превышали 0,2oС. У большинства испытуемых (13 чел.) температура в передних областях мозга обычно относительно ниже, чем в задних. Реже – у 9-ти испытуемых наблюдались обратные соотношения, а у остальных (7 чел.) существенной разницы температур не отмечено. Небольшая (до 0,2oС) межполушарная асимметрия теплопродукции имела место у 17 человек: у 11 из них температура преобладала в правом, а у 5-ти в левом полушарии, у 12-ти испытуемых термоасимметрий не обнаружено.
Произведено 20 функциональных нагрузок – ортостатических проб. Как известно, при ортостатической пробе происходит компенсаторная реакция, направленная на поддержание стабильности мозгового кровотока в условиях гидростатического перемещения крови в нижние отделы тела. При этом кровенаполнение периферических сосудов нижних конечностей снижается, а церебральных – повышается. Кровоток мозга при этом, как правило, остаётся стабильным. У большинства испытуемых обнаружены отчётливые сдвиги температуры, нарастающие и удерживающиеся в течение первой минуты, а затем постепенно возвращающиеся к исходному уровню. Сдвиги температуры имели место у большинства обследованных (18 чел.), но были направлены как в сторону повышения температуры (7 чел.), так и в сторону её снижения (11 чел.).
Для выяснения влияния кровоснабжения мозговой ткани на её теплопродукцию применялись различные методы, обычно используемые в клинической практике. При пробе с гипервентиляцией, проведенной у 10 человек, испытуемому предлагали произвести 30 форсированных выдохов. Поскольку между уровнем РаСО2 (в диапазоне от 20 до 80 мм рт.ст.) и мозговым кровотоком существует почти прямо пропорциональная зависимость, а между изменением уровня РаСО2 и ответной реакцией мозгового кровотока происходит 30 секунд, использование гипервентиляции в качестве функциональной нагрузки вполне оправдано.. Снижение РаСО2 на 1 мм рт. ст. снижает внутричерепное давление на 5%, повышение РаСО2 на 1 мм рт. ст. увеличивает внутричерепной объем крови на 0,05 мл/100г. Мозговой кровоток снижается на 2 мл/100г/мин на каждый миллиметр снижения РаСО2. При проведении пробы с гипервентиляцией снижение парциального давления углекислоты в артериальной крови, приводило к сужению церебральных артерий и, соответственно, снижению теплопродукции головного мозга на 0,2-0,7° C, длившемуся от 2-х до 4-х минут.
Для исследования функциональных возможностей коллатерального кровообращения проводили так называемую пробу Матаса – одностороннее пережатие общей сонной артерии на шее. Снижение васкуляризации полушария на стороне пережатия приводит с значительному локальному снижению температуры при одновременном увеличении «разогрева» в зонах смежного кровообращения - передних отделах противоположного полушария или в задних отделах противоположного полушария. Другие пробы вызывали общие изменения кровоснабжения мозговых сосудов, как в сторону его увеличения (нитроглицерин), так и в сторону уменьшения (проба с курением, гипервентиляция).
Анализ теплового радиоизлучения мозга при активации различных зон преимущественно правого или левого полушария проводился во время решения испытуемым зрительно-пространственных задач (для правого полушария) или словесно-математических задач (для левого полушария). Тесты предъявлялись в виде слайдов различного содержания, устного счёта, звуковых раздражителей, передаваемых на одно ухо. Длительность выполнения теста составляла 2 – 3 минуты. Исследовались также изменения тепловых полей при демонстрации слайдов, вызывающих эмоциональные реакции. Активация зрительного анализатора производилась путём интенсивного засвета глаз лампой 75 Вт после предварительной десятиминутной темновой адаптации.
Предварительные результаты исследований реактивных изменений теплопродукции мозга в условиях применения перечисленных функциональных нагрузок обнаружили достаточно высокую чувствительность применяемого метода с выявлением температурных сдвигов в пределах 0,2 – 0,8oС. Реактивные сдвиги имели локальный или диффузный характер.
Диффузные изменения в условиях применения нитроглицерина проявлялись повышением теплопродукции мозга, достигавшем максимума к 5-ой минуте. После пробы с курением теплопродукция мозга снижалась. Иногда на стороне патологического процесса выявляемые температурные сдвиги были более устойчивыми. При психологических тестах, адресованных к определённым участкам мозга, локальные температурные сдвиги обычно возвращались к исходным значениям в течение нескольких минут.
Сочетанные исследования теплового излучения мозга в инфракрасном (ИК) и СВЧ диапазонах были проведены у 46 больных с опухолями головного мозга супратенториального расположения, внутри (21 чел.) и внемозговыми (25 чел.), а также у 39-ти больных с патологией сосудов головного мозга. Особенно чёткие тепловизионные ИК синдромы наблюдались при оболочечных опухолях, расположенных на конвекситальной поверхности головного мозга, проявляясь в виде зон повышенного свечения в проекции опухоли, имеющих чёткие границы с термоасимметриями до 1,5 - 2oС. Яркая тепловая картина наблюдается при прорастании опухолей в орбиту или придаточные пазухи носа. Данные СВЧ радиотермометрии у этих больных, как правило, выявляли сходные термоасимметрии. При глубинном расположении внемозговых опухолей – на основании мозга или в межполушарной щели нередко имели место и рассогласования данных – локальное снижение СВЧ теплопродукции при увеличении инфракрасного теплового излучения.
Инфракрасное излучение от внутримозговых опухолей регистрировалось менее постоянно, не имело чёткой локальности, а термоасимметрии не превышали 0,5 - 1oС и были направлены как в сторону повышения, так снижения температуры. Данные, полученные методом радиотермометрии хорошо согласовались с результатами ИК термометрии, а иногда выявлялись и при отсутствии последних. Термоасимметрии были обнаружены у 89% больных с опухолями головного мозга.
При разработке нейрохирургических методов лечения эпилепсии, в особенности для подтверждения диагноза и уточнения локализации эпилептогенного очага весьма показательна функциональная нагрузка – гипервентиляция. Проба осуществляется путём проведения под наблюдением врача 30-40 глубоких выдохов. При этом гипервентиляция обычно длится около двух минут. В отличие от результатов проведения пробы у здоровых лиц, обычно реагирующих снижением теплопродукции, у больных с эпилептическим синдромом сразу или в течение первой минуты после окончания пробы в проекции эпилептогенного очага и (в меньшей степени) в симметричной области противоположного полушария выявлялись участки увеличения теплопродукции. Температурный сдвиг в зоне эпилептогенного очага в некоторых случаях мог достигать 2 К. Как показали данные других методов исследования отмеченные температурные реакции связаны с процессами кровоснабжения и особенностями реактивности мозговых сосудов в эпилептогенном очаге. Помимо выявления эпилептогенного очага, что представлено на рис. 2, несомненный теоретический и практический интерес представляют наблюдения за динамикой тепловых полей головного мозга после пробы с гипервентиляцией. Эта динамика при наблюдениях в течение 10-20 минут позволяет выявлять связи эпилептогенного очага с другими участками мозга, как на стороне поражения (ассоциативные зоны), так и на противоположной стороне («зеркальные» очаги), а также выявлять вторичные эпилептогенные очаги.
На рис 2 показаны результаты проведения пробы с гипервентиляцией у больного Б. , страдающего эпилептическим синдромом. В левой части рисунка представлена термокарта, а в правой – цветовая шкала изменений температуры в градусах К и график изменения температуры, как в сторону повышения (кривая, направленная кверху), так и в сторону снижения (кривая, направленная книзу). В момент времени, отмеченный символом «1» в зелёном квадрате, была произведена нормировка сигналов, в момент времени «2» была начата, а в момент «3» закончена гипервентиляция. Видно снижение температуры в левых лобной, теменной и передневисочной областях (антенны 12,2 и 8) и значительное увеличение температуры в зоне очага эпилептогенной активности в левой центральной области (антенна 6).
Для больных с артерио-венозными аневризмами были характерны диссоциации между данными исследований, полученными в инфракрасном и радиочастотном диапазонах. Наряду с усилением теплопродукции с покровов черепа в зоне расположения аневризмы, данные СВЧ радиотермометрии указывали на снижение температуры участков мозга в зоне аневризмы на 0,6 – 1,2oС. При тромбозах и грубых стенозах внутренних сонных артерий в орбитальной, супраорбитальной и височной областях «холодные» участки до 2oС выявляются, как в ИК, так и в СВЧ диапазонах.
Представляют несомненный интерес пока предварительные данные СВЧ-термометрии, полученные в динамике у нескольких больных в раннем послеоперационном периоде. В первые сутки после операции отмечается усиление температурной мозаики с перепадами температур до 5oС при их преобладании в затылочных областях. При благоприятном течении послеоперационного периода спустя 2 – 3 суток перепады температур нивелируются и не превышают 1oС. В одном из наблюдений (рис 3) при тяжёлом течении послеоперационного периода после удаления краниофарингиомы гипертермия до 40oС в затылочных областях сочеталась с выраженным – до 31oС снижением теплопродукции в зоне операции – в лобных областях. В последующие дни на фоне медленного клинического улучшения температуры в лобных областях возросли до 34oС, однако вплоть до 7-х суток сохраняется выраженная мозаичность тепловой картины с перепадами температур до 5oС.
У 34-х больных было проведено сопоставление результатов СВЧ радиотермометрии с характером биоэлектрической активности головного мозга. При этом из 19-ти больных, у которых в зоне патологического процесса был обнаружен очаг патологической медленной активности, у 13-ти наблюдалось снижение теплопродукции. Из 6 больных с очагами эпилептоидной активности у 4-х в той же зоне имело место повышения теплового излучения мозга. Из 9-ти больных, у которых локальные изменения биопотенциалов мозга отсутствовали, у 6-ти термоасимметрий не выявлялось. Таким образом, устанавливается определённая корреляция между теплопродукцией мозга и его биоэлектрической активностью.
Обобщая результаты исследований теплопродукции головного мозга методами инфракрасной и СВЧ термометрии, следует отметить достаточно высокую чувствительность и диагностическую ценность этих методик. Рассмотренные методики пригодны не только для топической диагностики заболеваний центральной нервной системы, но и для динамических исследований взаимосвязи термогенеза с функциональной активностью головного мозга, его метаболизмом и васкуляризацией. Перспективы совершенствования используемой при исследованиях аппаратуры для радиотермокартирования связаны с необходимостью создания многочастотного многоканального радиотермографа, позволяющего дифференцировать результаты сканирования по глубине. Широкое внедрение нейротепловидения в клиническую практику будет способствовать дальнейшему прогрессу в изучении физиологии и патофизиологии головного мозга, расширению кругозора практических врачей и улучшению качества диагностики в особенности в регионах, лишённых современных средств нейровизуализации.
Список литературы
1.Термоэнцефалоскопия / И.А. Шевелёв, Г.Д. Кузнецова, Е. Н. Цыкалов и др.- М.: Наука, 1989. – 223 с.
2. Кузнецова Г.Д., Пасечник В.И. Оценка теплопродукции волны распространяющейся депрессии // Биофизика.- 1987. - Т. 32, № 1.- С 145-149 .
3. Динамическое исследование температурных полей головного мозга человека / Е.В. Петрова, Н.Б. Холодова, А.Г. Сельский и др. // Физиология человека. – 2001.- Т.27, №1.-С.23 - 30.
4. Цыкалов Е.Н. Пространственно-временная динамика термоактивности мозга крысы при распространяющейся депрессии и прямом электрокорковом раздражении. : Автореф. дисс. канд. биол. наук– М., 1986.- 16 с.
5. Использование методов радиолокации в радиочастотном и оптическом диапазонах для выявления патологий живых тканей человека / В.С. Верба, А.Г. Гудков, В.Ю.Леушин и др. // 16-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2006). -Севастополь: Вебер, 2006. – Т.2. – С. 903-904.
6. Пассивные и активные радиолокационные методы исследований и диагностики живых тканей человека / А.Г. Гудков, В.Ю.Леушин, Д.И. Цыганов и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2006. -№ 11. - С. 14-20.
7. Исследование теплового возбуждения в коре головного мозга при функциональных тестах методом динамического многоканального радиотепловидения / В.Л. Анзимиров, Н.А. Архипова, В.И. Пасечник и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2000. - №8. -С.22 – 30.