تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی. نیکولای آودیویچ - در مورد دستگاه های جدید MRI و قابلیت های آنها تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی مغز

فن آوری ها

E.I. کرمنووا، آر.ن. کونوالوف، M.V. کروتنکووا

مرکز علمی نورولوژی آکادمی علوم پزشکی روسیه (مسکو)

از دهه 90. در قرن بیستم، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی (fMRI) به دلیل غیرتهاجمی بودن، عدم قرار گرفتن در معرض تشعشع و استفاده نسبتاً گسترده، یکی از روش‌های پیشرو برای نقشه‌برداری از نواحی عملکردی مغز است. ماهیت این تکنیک اندازه گیری تغییرات همودینامیک در پاسخ به فعالیت عصبی (اثر BOLD) است. برای موفقیت یک آزمایش fMRI، لازم است: در دسترس بودن پشتیبانی فنی مناسب (توموگرافی MRI میدان بالا، تجهیزات ویژه برای انجام وظایف)، توسعه یک طراحی مطالعه بهینه، و پس پردازش داده های به دست آمده. . در حال حاضر، این تکنیک نه تنها برای اهداف علمی، بلکه در پزشکی عملی نیز استفاده می شود. با این حال، برخی از محدودیت ها و موارد منع مصرف را همیشه باید در نظر داشت، به ویژه هنگام انجام fMRI در بیماران با آسیب شناسی های مختلف. برای برنامه ریزی صحیح مطالعه و تفسیر نتایج آن، لازم است متخصصان مختلفی درگیر شوند: نورو رادیولوژیست، بیوفیزیکدان، متخصص مغز و اعصاب، روانشناس، زیرا fMRI یک تکنیک چند رشته ای است.

کلمات کلیدی: fMRI، کنتراست BOLD، طراحی مطالعه، پس پردازش

قرن هاست که دانشمندان و پزشکان به نحوه عملکرد مغز انسان علاقه مند بوده اند. با توسعه پیشرفت های علمی و فناوری، برداشتن پرده از این رمز و راز ممکن شد. و اختراع و معرفی به عمل بالینی چنین روش غیر تهاجمی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) بسیار ارزشمند شده است. MRI روشی نسبتاً جوان است: اولین توموگراف تجاری 1.5 T تنها در سال 1982 کار خود را آغاز کرد. با این حال، تا سال 1990، بهبود فنی مداوم این روش امکان استفاده از آن را نه تنها برای مطالعه ویژگی‌های ساختاری مغز، بلکه برای استفاده از آن فراهم کرد. عملکرد آن را مطالعه کنید در این مقاله، ما بر روی تکنیکی تمرکز خواهیم کرد که به نقشه برداری از مناطق مختلف عملکردی مغز اجازه می دهد - تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI).

اصول اولیه تکنیک fMRI_

fMRI یک تکنیک MRI است که پاسخ همودینامیک (تغییر در جریان خون) مرتبط با فعالیت عصبی را اندازه گیری می کند. این بر اساس دو مفهوم اصلی است: تعامل عصبی عروقی و کنتراست BOLD.

fMRI اجازه نمی دهد که فعالیت الکتریکی نورون ها را مستقیما ببیند، اما این کار را به طور غیرمستقیم از طریق تغییر موضعی در جریان خون انجام می دهد. این به دلیل پدیده تعامل عصبی - عروقی - تغییر منطقه ای در جریان خون در پاسخ به فعال شدن نورون های مجاور امکان پذیر است. این اثر از طریق توالی پیچیده ای از واکنش های مرتبط به هم که در نورون ها، گلیاهای اطراف آن ها (آستروسیت ها) و اندوتلیوم دیواره عروق رخ می دهد، به دست می آید، زیرا با افزایش فعالیت، نورون ها به اکسیژن و مواد مغذی بیشتری نیاز دارند که با جریان خون آورده می شود. تکنیک fMRI امکان ارزیابی مستقیم تغییرات همودینامیک را فراهم می کند.

این امر در سال 1990 ممکن شد، زمانی که سیجی اوگاوا و همکارانش در آزمایشگاه بل (ایالات متحده آمریکا) استفاده از کنتراست BOLD را برای مطالعه فیزیولوژی مغز با استفاده از MRI ​​پیشنهاد کردند. کشف آنها آغاز یک دوره را رقم زد

تصویربرداری عصبی عملکردی مدرن و اساس اکثر مطالعات fMRI را تشکیل داد. کنتراست BOLD (به معنای واقعی کلمه - وابسته به سطح اکسیژن خون، بسته به سطح اکسیژن خون) تفاوت در سیگنال MR در تصاویر با استفاده از توالی گرادیان بسته به درصد دی اکسی هموگلوبین است. دئوکسی هموگلوبین دارای خواص مغناطیسی متفاوتی نسبت به بافت‌های اطراف است که هنگام اسکن منجر به اختلال موضعی میدان مغناطیسی و کاهش سیگنال در توالی "اکو گرادیان" می‌شود. با افزایش جریان خون در پاسخ به فعال شدن نورون ها، دئوکسی هموگلوبین از بافت ها شسته می شود و خون اکسیژن دار جایگزین آن می شود که از نظر خواص مغناطیسی مشابه بافت های اطراف است. سپس اختلال میدان کاهش می یابد و سیگنال سرکوب نمی شود - و ما تقویت موضعی آن را می بینیم (شکل 1A).

بنابراین، با جمع بندی تمام موارد فوق، طرح کلی fMRI را می توان به صورت زیر نشان داد: فعال شدن نورون ها در پاسخ به عمل یک محرک و افزایش نیازهای متابولیکی آنها منجر به افزایش موضعی در جریان خون می شود که ثبت می شود. در طول fMRI به شکل یک سیگنال BOLD - محصول فعالیت عصبی و پاسخ همودینامیک (شکل 1B).

برنج. 1: الف - تصویر شماتیک کنتراست VOS در آزمایش Oda\ha با تغییر در درصد اکسیژن در خون موشها. هنگامی که هوای معمولی (21٪ اکسیژن) استنشاق می شود، مناطق کاهش سیگنال در قشر (در قسمت بالای شکل) مشخص می شود که مربوط به عروق با محتوای افزایش یافته دی اکسی هموگلوبین است. هنگامی که اکسیژن خالص استنشاق می شود، یک سیگنال MR همگن از قشر مغز مشاهده می شود (در پایین شکل). ب - طرح کلی برای تشکیل سیگنال VOS

برنامه ریزی آزمایشی

برای انجام یک مطالعه fMRI، داشتن یک توموگراف MRI با میدان بالا (مقدار القای میدان مغناطیسی 1.5 T و بالاتر)، تجهیزات مختلف برای انجام وظایف در حین اسکن (هدفون، عینک ویدئویی، پروژکتور، انواع ریموت کنترل و جوی استیک برای بازخورد از افراد و غیره.). یک عامل مهم، تمایل سوژه برای همکاری است.

از نظر شماتیک، خود فرآیند اسکن (در مثال تحریک بصری) به شرح زیر است (شکل 2): سوژه در توموگراف قرار دارد. از طریق سیستم ویژه ای از آینه هایی که بالای سرش نصب شده است، به تصاویر نمایش داده شده روی صفحه از طریق ویدئو پروژکتور دسترسی دارد. برای بازخورد (اگر در کار ذکر شده باشد)، بیمار دکمه ای را روی کنترل از راه دور فشار می دهد. تامین محرک ها و کنترل کار با استفاده از کنسول در اتاق کنترل انجام می شود.

وظایفی که آزمودنی انجام می دهد بسته به اهداف تعیین شده می تواند متفاوت باشد: دیداری، شناختی، حرکتی، گفتاری و غیره. دو نوع اصلی ارائه محرک ها در یک کار وجود دارد: به شکل بلوک - طرح بلوک، و به شکل محرک های متفاوت مجزا - طرح گسسته (شکل 3). ترکیبی از هر دوی این گزینه ها نیز امکان پذیر است - یک طرح ترکیبی.

پرکاربردترین، به ویژه برای کارهای حرکتی، طراحی بلوک است، زمانی که همان محرک ها در بلوک های متناوب با یکدیگر جمع آوری می شوند. به عنوان مثال، وظیفه فشردن یک توپ لاستیکی (هر فشردن یک محرک جداگانه است) برای یک دوره زمانی معین (به طور متوسط ​​20 تا 30 ثانیه)، متناوب با دوره های استراحت در همان مدت زمان است. این طرح دارای بیشترین قدرت آماری است، زیرا سیگنال های BOLD مجزا جمع می شوند. با این حال، به عنوان یک قاعده، برای بیماران قابل پیش بینی است و اجازه ارزیابی پاسخ به یک محرک را نمی دهد، و بنابراین برای برخی از وظایف، به ویژه، برای کارهای شناختی مناسب نیست.

برنج. 2: طرح آزمایش fMRI (اقتباس شده از http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies، با تغییرات)

بلوکی

گسسته (مرتبط با رویداد)

A 11 i A D1 iil iiitU I I،

برنج. 3: انواع اصلی طرح های مطالعه fMRI

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی

برای این، یک طراحی گسسته وجود دارد، زمانی که محرک ها به شیوه ای آشفته در فواصل زمانی مختلف داده می شوند. به عنوان مثال، به یک سوژه مبتلا به آراکنوفوبیا تصاویر خنثی (گل ها، ساختمان ها و غیره) نشان داده می شود، که در میان آنها تصاویری از یک عنکبوت هر از گاهی ظاهر می شود، که ارزیابی فعال شدن مغز در پاسخ به محرک های ناخوشایند را ممکن می سازد. با طراحی بلوک، این امر دشوار خواهد بود: اولاً، آزمودنی می داند که یک بلوک چه زمانی ظاهر می شود و از قبل برای آن آماده می شود، و ثانیاً، اگر همان محرک برای مدت طولانی ارائه شود، واکنش به آن کسل کننده می شود. این طراحی مجزا است که می تواند در fMRI به عنوان یک آشکارساز دروغ یا در تحقیقات بازاریابی استفاده شود، زمانی که به داوطلبان گزینه های مختلف محصول (بسته بندی، شکل ها، رنگ های آن) نشان داده می شود و واکنش ناخودآگاه آنها مشاهده می شود.

بنابراین، ما طراحی کار را انتخاب کردیم، آن را اسکن کردیم. در نتیجه چه چیزی بدست می آوریم؟ اول، این یک سری 4 بعدی از داده های عملکردی در دنباله "اکو گرادیان" است که اسکن های مکرر متعدد از کل حجم ماده مغز در طول کار است. و دوم، حجم داده های تشریحی سه بعدی با وضوح بالا: به عنوان مثال، 1 x 1 x 1 میلی متر (شکل 4). مورد دوم برای نقشه برداری دقیق از مناطق فعال ضروری است، زیرا داده های عملکردی وضوح فضایی پایینی دارند.

پس پردازش_

تغییرات سیگنال MR در مناطق فعال شدن مغز در شرایط مختلف تنها 3-5٪ است، آنها برای چشم انسان گریزان هستند. بنابراین، بیشتر، داده های عملکردی به دست آمده در معرض تجزیه و تحلیل آماری قرار می گیرند: منحنی وابستگی شدت سیگنال MR به زمان برای هر وکسل تصویر در حالت های مختلف - تجربی (تامین محرک) و کنترل ساخته می شود. در نتیجه، یک نقشه فعال سازی آماری همراه با داده های تشریحی دریافت می کنیم.

اما قبل از انجام مستقیم چنین تجزیه و تحلیلی، لازم است داده های "خام" به دست آمده در پایان اسکن تهیه شود و تغییرپذیری نتایج غیرمرتبط با کار آزمایشی کاهش یابد. الگوریتم آماده سازی یک فرآیند چند مرحله ای است و برای درک اشتباهات و خطاهای احتمالی در تفسیر نتایج بسیار مهم است. در حال حاضر برنامه های مختلفی وجود دارد

Ш -.V w<# %>

40 4 اینچ r h® F W

برنج. 4: مجموعه ای از داده های عملکردی (A) و آناتومیکی (B) به دست آمده در پایان اسکن

نرم افزار برای پردازش اولیه داده های به دست آمده، تولید شده توسط هر دو سازنده توموگرافی MRI و آزمایشگاه های مستقل تحقیقاتی fMRI. اما، با وجود تفاوت در روش های مورد استفاده، نام آنها و ارائه داده ها، تمام مراحل آماده سازی به چند مرحله اساسی خلاصه می شود.

1. اصلاح حرکت سر سوژه. هنگام انجام وظایف، با وجود استفاده از دستگاه های مختلف برای ثابت کردن سر (ماسک، گیره روی سیم پیچ و غیره) این امر اجتناب ناپذیر است. حتی حداقل حرکت می تواند منجر به تغییر مصنوعی واضح در شدت سیگنال MR بین حجم های متوالی داده شود، به خصوص اگر حرکت سر با انجام کار آزمایشی مرتبط باشد. در این مورد، تشخیص بین فعال سازی BOLD "واقعی" و "مصنوعی" که در نتیجه حرکت سوژه ایجاد می شود دشوار است (شکل 5).

به طور کلی پذیرفته شده است که بیش از 1 میلی متر به عنوان جابجایی بهینه سر در نظر گرفته نشود. در این حالت، جابجایی عمود بر صفحه اسکن (جهت "سر-پاها") برای پردازش آماری صحیح نتایج به طور قابل توجهی بدتر از جابجایی در صفحه اسکن است. در این مرحله، از الگوریتم تبدیل جسم صلب استفاده می شود - یک تبدیل فضایی که در آن فقط موقعیت و جهت جسم تغییر می کند و اندازه یا شکل آن ثابت است. در عمل، پردازش به شرح زیر است: حجم عملکردی مرجع (معمولاً اولین) تصاویر انتخاب می شود و تمام حجم های کاربردی بعدی به صورت ریاضی با آن ترکیب می شوند، شبیه به نحوه تراز کردن ورق های کاغذ در یک پشته.

2. ثبت مشترک داده های عملکردی و تشریحی.

تفاوت در موقعیت سر سوژه به حداقل می رسد. پردازش رایانه ای و مقایسه داده های تشریحی با وضوح بالا و داده های عملکردی با وضوح بسیار پایین نیز برای امکان محلی سازی بعدی مناطق فعال انجام می شود.

برنج. 5: مثالی از جابجایی سر بیمار در حین اسکن در حین انجام پارادایم موتور. در قسمت بالای شکل، نموداری از حرکت سر سوژه در سه صفحه متقابل عمود وجود دارد: منحنی وسط منعکس کننده جابجایی بیمار در امتداد محور z (جهت "سر-پاها") است و به وضوح در انحراف است. آغاز جنبش و در پایان آن. در قسمت پایین - نقشه های آماری فعال سازی همان موضوع بدون اصلاح حرکت. مصنوعات معمولی از حرکت به شکل نیم دایره در امتداد لبه ماده مغزی تعیین می شوند.

علاوه بر این، تفاوت‌های مرتبط با حالت‌های مختلف اسکن به حداقل می‌رسد (معمولاً برای داده‌های عملکردی، این حالت «اکو گرادیان»، برای داده‌های آناتومیک، T1 است). بنابراین، حالت پژواک گرادیان می‌تواند مقداری کشش تصویر را در امتداد یکی از محورها در مقایسه با تصاویر ساختاری با وضوح بالا ایجاد کند.

3. نرمال سازی فضایی. مشخص است که شکل و اندازه مغز انسان به طور قابل توجهی متفاوت است. برای مقایسه داده‌های به‌دست‌آمده از بیماران مختلف، و همچنین برای پردازش کل گروه به عنوان یک کل، از الگوریتم‌های ریاضی استفاده می‌شود: به اصطلاح تبدیل افین. در این مورد، تصاویر مناطق جداگانه مغز تغییر می کند - کشش، فشرده سازی، کشش، و غیره. - با کاهش بعدی داده های ساختاری به یک سیستم مختصات فضایی واحد.

در حال حاضر، رایج ترین در fMRI دو سیستم مختصات فضایی است: سیستم Taleras و سیستم موسسه عصبی مونترال. اولین مورد توسط جراح مغز و اعصاب فرانسوی ژان تالاراک در سال 1988 بر اساس اندازه گیری های پس از مرگ مغز یک زن 60 ساله فرانسوی ساخته شد. سپس مختصات تمام نواحی آناتومیکی مغز نسبت به خط مرجع متصل کننده قدامی و خلفی داده شد. هر مغزی را می توان در این فضای استریوتاکسی قرار داد و مناطق مورد علاقه را می توان با استفاده از یک سیستم مختصات سه بعدی (x، y، z) توصیف کرد. نقطه ضعف چنین سیستمی داده های تنها برای یک مغز است. بنابراین، سیستم محبوب‌تر سیستمی است که در موسسه عصبی مونترال (MNI) بر اساس محاسبه کل داده‌های تصویر T1 از 152 کانادایی توسعه یافته است.

اگر چه هر دو سیستم از خطی که کامیسورهای قدامی و خلفی را به هم متصل می‌کند، ارجاع داده می‌شوند، مختصات این سیستم‌ها یکسان نیستند، به‌ویژه هنگامی که به سطوح محدب مغز نزدیک می‌شوند. هنگام مقایسه نتایج به دست آمده با داده های آثار سایر محققان این نکته را باید در نظر داشت.

لازم به ذکر است که این مرحله از پردازش برای نقشه برداری قبل از عمل از مناطق فعال سازی عملکردی در جراحی مغز و اعصاب استفاده نمی شود، زیرا هدف از fMRI در چنین شرایطی ارزیابی دقیق محل این مناطق در یک بیمار خاص است.

4. صاف کردن. عادی سازی فضایی هرگز دقیق نیست، بنابراین مناطق همولوگ، و از این رو مناطق فعال آنها، 100٪ با یکدیگر مطابقت ندارند. به منظور دستیابی به همپوشانی فضایی مناطق فعال سازی مشابه در گروهی از سوژه ها، برای بهبود نسبت سیگنال به نویز و در نتیجه افزایش قابلیت اطمینان داده ها، یک تابع هموارسازی گاوسی اعمال می شود. ماهیت این مرحله از پردازش "تاری" مناطق فعال سازی هر موضوع است که در نتیجه مناطق همپوشانی آنها در تجزیه و تحلیل گروه افزایش می یابد. نقطه ضعف این است که وضوح فضایی از بین می رود.

اکنون، در نهایت، می‌توانیم مستقیماً به تجزیه و تحلیل آماری برویم، در نتیجه داده‌های مربوط به مناطق فعال‌سازی را در قالب نقشه‌های رنگی که بر روی داده‌های آناتومیک قرار گرفته‌اند، به دست می‌آوریم. همین داده ها می تواند

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی

آمار: p-va/ues برای حجم جستجو تنظیم شده است

سطح تنظیم شده غیر lsotroplc در سطح وکسل تنظیم شده در سطح خوشه

R "- - - ---- میلی متر میلی متر

^ متصل "E ^ PFWE-con تصحیح نشده ^ FDR-con T (Y ^ unconected

0.000 80 0.000 0.000 0.000 6.26 6.04 0.000 -27 -24 60

0.000 0.000 6.00 5.81 0.000 -33 -18 69

0.002 46 0.001 0.009 0.000 5.20 5.07 0.000 27 -57 -21

0.123 0.004 4.54 4.45 0.000 18 -51 -18

0.278 6 0.179 0.076 0.003 4.67 4.58 0.000 51 21 -21

0.331 5 0.221 0.081 0.003 4.65 4.56 0.000 -66 -24 27

0.163 9 0.098 0.099 0.003 4.60 4.51 0.000 -48 -75 -27

0.050 17 0.029 0.160 0.005 4.46 4.38 0.000 -21 33 27

0.135 10 0.080 0.223 0.006 4.36 4.28 0.000 3 -75 -33

0.668 1 0.608 0.781 0.024 3.83 3.77 0.000 6 -60 -9

برنج. 6: نمونه ای از ارائه نتایج پس پردازش آماری. در سمت چپ - مناطق فعال سازی در هنگام اجرای پارادایم موتور (بالا بردن - پایین آوردن انگشت اشاره سمت راست)، همراه با بازسازی حجمی مغز. راست - آمار برای هر منطقه فعال سازی

در قالب دیجیتال نشان دهنده اهمیت آماری منطقه فعال سازی، حجم و مختصات آن در فضای استریوتاکسی (شکل 6) ارائه شود.

برنامه fMRI_

چه زمانی fMRI انجام می شود؟ اولاً، برای اهداف کاملاً علمی: این مطالعه مغز طبیعی و عدم تقارن عملکردی آن است. این تکنیک علاقه محققان را به نقشه برداری از عملکردهای مغز زنده کرده است: بدون توسل به مداخلات تهاجمی، می توان متوجه شد که کدام مناطق مغز مسئول یک فرآیند خاص هستند. شاید بزرگترین پیشرفت در درک فرآیندهای شناختی بالاتر از جمله توجه، حافظه و عملکردهای اجرایی صورت گرفته باشد. چنین مطالعاتی امکان استفاده از fMRI را برای اهداف عملی به دور از علوم پزشکی و علوم اعصاب (به عنوان آشکارساز دروغ، در تحقیقات بازاریابی و غیره) فراهم کرده است.

علاوه بر این، fMRI به طور فعال در پزشکی عملی استفاده می شود. در حال حاضر، این تکنیک به طور گسترده در عمل بالینی برای نقشه برداری قبل از عمل از عملکردهای اصلی (حرکتی، گفتاری) قبل از مداخلات جراحی مغز و اعصاب برای توده های مغزی یا صرع غیرقابل درمان استفاده می شود. در ایالات متحده آمریکا، حتی یک سند رسمی وجود دارد - یک راهنمای عملی که توسط کالج آمریکایی رادیولوژی و انجمن آمریکایی نوررادیولوژی جمع آوری شده است، که کل روش را با جزئیات شرح می دهد.

محققان همچنین در تلاشند تا fMRI را در عمل بالینی معمول در بیماری های مختلف عصبی و روانی معرفی کنند. هدف اصلی کارهای متعدد در این زمینه ارزیابی تغییرات در عملکرد مغز در پاسخ به آسیب به یکی از مناطق آن - از دست دادن و (یا) تغییر مناطق، جابجایی آنها و غیره و همچنین پویا است. مشاهده بازسازی مناطق فعال سازی در پاسخ به درمان دارویی مداوم، درمان و/یا اقدامات توانبخشی.

در نهایت، مطالعات fMRI انجام شده بر روی بیماران از دسته‌های مختلف می‌تواند به تعیین ارزش پیش آگهی انواع مختلف بازآرایی عملکردی قشر مغز برای بازیابی عملکردهای آسیب‌دیده و توسعه الگوریتم‌های درمانی بهینه کمک کند.

شکست های احتمالی در مطالعه

هنگام برنامه ریزی fMRI، همیشه باید موارد منع مصرف، محدودیت ها و احتمالات مختلف را در نظر داشت

منابع خطا در تفسیر داده های به دست آمده از داوطلبان سالم و بیماران.

این شامل:

هر عاملی که بر تعامل عصبی عروقی و همودینامیک و در نتیجه کنتراست BOLD تاثیر می گذارد. بنابراین، همیشه باید تغییرات احتمالی در جریان خون مغزی را در نظر گرفت، به عنوان مثال، به دلیل انسداد یا تنگی شدید شریان های اصلی سر و گردن، مصرف داروهای وازواکتیو. همچنین حقایق شناخته شده ای از کاهش یا حتی وارونگی پاسخ BOLD در برخی از بیماران مبتلا به گلیوم بدخیم به دلیل اختلال در خودتنظیمی وجود دارد.

وجود موارد منع مصرف در آزمودنی که در هر مطالعه MRI مشترک است (پیس میکر، کلاستروفوبیا و غیره)؛

ساختارهای فلزی در ناحیه صورت (مغز) قسمت‌های جمجمه (دندان‌های مصنوعی غیر قابل جابجایی، گیره‌ها، صفحات و غیره) که مصنوعات برجسته‌ای را در حالت "اکوی گرادیان" ارائه می‌کنند.

فقدان (مشکل) همکاری از سوی آزمودنی در حین انجام وظیفه، که هم با وضعیت شناختی او و هم با کاهش بینایی، شنوایی و غیره همراه است و هم با کمبود انگیزه و توجه کافی به کار؛

حرکت بیان شده سوژه در حین انجام وظایف؛

طراحی مطالعه نادرست برنامه ریزی شده (انتخاب یک کار کنترلی، مدت زمان بلوک ها یا کل مطالعه و غیره)؛

توسعه دقیق وظایف، که به ویژه برای fMRI بالینی مهم است، و همچنین در مطالعه گروهی از افراد یا همان موضوع در دینامیک به منظور مقایسه مناطق فعال سازی حاصل. تکالیف باید تکرارپذیر باشند، یعنی در کل دوره مطالعه یکسان باشند و برای تکمیل همه آزمودنی ها در دسترس باشند. یک راه حل ممکن برای بیمارانی که قادر به انجام وظایف مربوط به حرکت به تنهایی نیستند، استفاده از پارادایم های غیرفعال با استفاده از وسایل مختلف برای حرکت دادن اندام ها است.

انتخاب اشتباه پارامترهای اسکن (زمان اکو - TE، زمان تکرار - TR)؛

تنظیم نادرست پارامترهای پس از پردازش داده ها در مراحل مختلف؛

تفسیر اشتباه داده های آماری به دست آمده، نقشه برداری نادرست از مناطق فعال سازی.

نتیجه

علیرغم محدودیت های فوق، fMRI یک تکنیک تصویربرداری عصبی مدرن مهم و همه کاره است که مزایای وضوح فضایی بالا و غیر تهاجمی بودن را با عدم نیاز به مواد حاجب داخل وریدی ترکیب می کند.

تقویت و قرار گرفتن در معرض تابش با این حال، این تکنیک بسیار پیچیده است و برای انجام موفقیت آمیز وظایف محول شده به محققی که با fMRI کار می کند، یک رویکرد چند رشته ای مورد نیاز است - شامل نه تنها نورو رادیولوژیست ها، بلکه همچنین بیوفیزیکدانان، نوروفیزیولوژیست ها، روانشناسان، گفتاردرمانگران، پزشکان بالینی و ریاضیدانان در مطالعه. فقط در این صورت می توان از پتانسیل کامل fMRI استفاده کرد و نتایج واقعاً منحصر به فردی به دست آورد.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. Ashburner J., Friston K. ثبت چند وجهی تصویر و پارتیشن بندی - یک چارچوب یکپارچه. Neurolmage 1997; 6 (3): 209-217.

2. برایان ان. پاسلی، رالف دی. فریمن. جفت عصبی عروقی Scholarpedia 2008; 3 (3): 5340.

3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. تأثیر سن و درجه تومور بر تصویربرداری MR عملکردی BOLD در ارزیابی قبل از عمل بیماران مبتلا به گلیوما. رادیولوژی 2008; 3:971-978.

4. تکنیک ها و پروتکل های فیلیپی M. fMRI. Humana Press 2009: 25.

5. Friston K. J.، Williams S.، Howard R. و همکاران اثرات مرتبط با حرکت در سری های زمانی fMRI Magn. رزون. پزشکی 1996; 35:346-355.

6. Glover، G.H.، Lai S. fMRI مارپیچی خود ناوبری: interleaved در مقابل تک شات. Magn. رزون. پزشکی 1998; 39:361-368.

7. هالر اس، بارتش ای.جی. مشکلات در fMRI یورو رادیول. 2009; 19:2689-2706.

8. Hsu Y.Y.، Chang C.N.، Jung S.M. و همکاران MRI وابسته به سطح اکسیژن خون گلیوماهای مغزی در حین حبس نفس. جی. مگن. Reson Imaging 2004; 2:160-167.

9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. تصویربرداری تشدید مغناطیسی کاربردی. Sinauer Associates Inc. 2004: 295-317.

10. Ogawa S.، Lee T.M. تصویربرداری تشدید مغناطیسی رگ‌های خونی در میدان‌های بالا: اندازه‌گیری‌های in vivo و in vitro و شبیه‌سازی تصویر. Magn. رزون. پزشکی 1990; 16 (1): 9-18.

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی در تشخیص بسیاری از بیماری‌ها ضروری است و به شما امکان می‌دهد تصویری دقیق از اندام‌ها و سیستم‌های داخلی داشته باشید.

بخش MRI کلینیک NAKFF در مسکو مجهز به توموگرافی زیمنس MAGNETOM Aera با طراحی تونل باز است. قدرت توموگراف 1.5 تسلا است. این تجهیزات امکان معاینه افراد تا وزن 200 کیلوگرم را فراهم می کند، عرض تونل دستگاه (دهانه) 70 سانتی متر مغز است. هزینه تشخیص مقرون به صرفه است، در حالی که ارزش نتایج به دست آمده فوق العاده بالا است. در مجموع، بیش از 35 نوع مطالعه رزونانس مغناطیسی انجام می شود.

پس از تشخیص MRI، پزشک با بیمار گفتگو می کند و یک دیسک با ضبط صادر می کند. نتیجه گیری از طریق ایمیل ارسال می شود.

آموزش

اکثر مطالعات تصویربرداری رزونانس مغناطیسی به آموزش خاصی نیاز ندارند. اما به عنوان مثال برای ام آر آی شکم و اندام های لگن توصیه می شود 5 ساعت قبل از معاینه از خوردن و آشامیدن خودداری شود.

قبل از مراجعه به مرکز تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (در روز معاینه) باید لباس راحت و بدون هیچ عنصر فلزی بپوشید.

موارد منع مصرف

موارد منع تصویربرداری رزونانس مغناطیسی به این دلیل است که در طول مطالعه یک میدان مغناطیسی قدرتمند تشکیل می شود که می تواند بر الکترونیک و فلزات تأثیر بگذارد. بر این اساس، منع مطلق MRI وجود موارد زیر است:

• ضربان ساز؛
• محرک عصبی؛
• کاشت الکترونیکی گوش میانی؛
• گیره های فلزی روی ظروف؛
• پمپ های انسولین

ضربان ساز نصب شده، محرک عصبی، ایمپلنت الکترونیکی گوش میانی، گیره های فلزی روی عروق، پمپ انسولین.

محدودیت های

اگر سازه های فلزی بزرگی نصب کرده اید (مثلاً پروتز مفصلی)، به سندی نیاز دارید که امکان و ایمنی انجام MRI را تأیید کند. این ممکن است گواهی برای ایمپلنت (معمولاً پس از عمل صادر شود) یا گواهی از جراح که مداخله را انجام داده است. اکثر این سازه ها از تیتانیوم پزشکی ساخته شده اند که در عمل تداخلی ایجاد نمی کند. اما، در هر صورت، قبل از مطالعه، وجود اجسام خارجی در بدن - تاج در حفره دهان، سوراخ کردن، و حتی خالکوبی را به پزشک بخش رادیولوژی بگویید (در مورد دوم، می توان از رنگ های حاوی فلز استفاده کرد. ).

قیمت تصویربرداری رزونانس مغناطیسی به قسمتی از بدن که مورد بررسی قرار می گیرد و نیاز به روش های اضافی (مثلاً معرفی کنتراست) بستگی دارد. بنابراین MRI مغز بیش از یک توموگرافی یک دست هزینه خواهد داشت. برای مطالعه از طریق تلفن در مسکو ثبت نام کنید: +7 495 266-85-01 یا درخواست خود را در وب سایت بگذارید.

اطلاعات زیادی در مورد ساختار تشریحی اندام، بافت یا جسم دیگری که در میدان دید قرار می گیرد به محقق می دهد. با این حال، به منظور ایجاد یک تصویر کامل از فرآیندهای در حال انجام، داده های کافی در مورد فعالیت عملکردی وجود ندارد. و برای این فقط تصویربرداری رزونانس مغناطیسی با عملکرد BOLD وجود دارد (BOLD - کنتراست وابسته به سطح اکسیژن خون، یا کنتراست، بسته به درجه اشباع اکسیژن خون).

BOLD fMRI یکی از پرکاربردترین و شناخته شده ترین روش ها برای تعیین فعالیت مغز است. فعال شدن منجر به افزایش جریان خون موضعی با تغییر در غلظت نسبی هموگلوبین اکسیژن دار (غنی شده با اکسیژن) و بدون اکسیژن (فقیر اکسیژن) در جریان خون موضعی می شود.

عکس. 1.طرح واکنش ها مغزی جریان خون که در پاسخ بر روی برانگیختگی نورون ها

خون بدون اکسیژن پارامغناطیس است (ماده ای که می تواند مغناطیسی شود) و منجر به افت سطح سیگنال MRI می شود. اگر خون اکسیژن دار بیشتری در ناحیه مغز وجود داشته باشد، سطح سیگنال MRI افزایش می یابد. بنابراین، اکسیژن در خون به عنوان یک ماده کنتراست درون زا عمل می کند.

شکل 2.جلد مغزی تامین خون (آ) و بولد-پاسخ fMRI (ب) در فعال سازی اولیه موتور پارس سگانسان. علامت عبور می کند که در 4 مراحل. 1 صحنه – به واسطه فعال سازی نورون ها بالا می رود مصرفاکسیژن, افزایش میزان بدون اکسیژن خون, پررنگ— علامت کمی کاهش می دهد (بر روی چارت سازمانینه نشان داده شده, نزول کردن جزئی). کشتی ها در حال گسترش, به واسطه چی چندین کاهش می دهدتامین خون مغزی پارچه ها. صحنه 2 – طولانی مدت افزایش دادن علامت. پتانسیل اقدامات نورون هابه پایان می رسد, ولی جریان اکسیژن دار خون افزایش به صورت اینرسی, شاید به واسطه تأثیربیوشیمیایی نشانگرها هیپوکسی. صحنه 3 – طولانی مدت کاهش می یابد علامت به واسطه عادی سازیتامین خون. 4 صحنه – پس از محرک رکود اقتصادی – تماس گرفت آهسته. تدریجی مرمت اولیهتامین خون

برای فعال کردن کار نورون ها در نواحی خاصی از قشر، وظایف فعال سازی خاصی وجود دارد. طراحی کار معمولاً دو نوع است: "بلاک" و "مرتبط با رویداد". هر نوع وجود دو فاز متناوب را فرض می کند - حالت فعال و استراحت. در fMRI بالینی، وظایف از نوع "بلاک" بیشتر استفاده می شود. با انجام چنین تمریناتی، آزمودنی دوره های به اصطلاح ON- (وضعیت فعال) و OFF- (حالت استراحت) را با مدت زمان یکسان یا نامساوی جایگزین می کند. به عنوان مثال، هنگام تعیین ناحیه قشر مسئول حرکات دست، وظایف شامل حرکات متناوب انگشتان و دوره های عدم فعالیت است که به طور متوسط ​​حدود 20 ثانیه طول می کشد. مراحل چندین بار تکرار می شوند تا دقت نتیجه fMRI افزایش یابد. در مورد تکلیف «مرتبط با رویداد»، آزمودنی یک عمل کوتاه را انجام می‌دهد (مثلاً مشت خود را می‌بلعد یا مشتش را گره می‌کند)، به دنبال آن یک دوره استراحت انجام می‌دهد، در حالی که اقدامات، برخلاف طرح بلوک، به‌طور ناهموار و متناوب تغییر می‌کنند. به طور متناقض

در عمل، BOLD fMRI در برنامه ریزی قبل از عمل برداشتن (برداشتن) تومورها، تشخیص ناهنجاری های عروقی، در عملیات برای اشکال شدید صرع و سایر ضایعات مغزی استفاده می شود. در حین جراحی مغز، برداشتن ضایعه تا حد امکان با دقت بسیار مهم است و در عین حال از آسیب غیرضروری به مناطق همسایه از نظر عملکردی مهم مغز جلوگیری می شود.

شکل 3.

آ – سه بعدی ام آر آی— تصویر سر مغز. فلش نشان داد محل موتور پارس سگ که درپیش مرکزی چین سینوسی مغز.

ب – نقشه fMRI—فعالیت مغز که در پیش مرکزی چین سینوسی مغز در جنبش دست

این روش در مطالعه بیماری های دژنراتیو مانند آلزایمر و پارکینسون به ویژه در مراحل اولیه بسیار موثر است. این شامل استفاده از پرتوهای یونیزان و عوامل رادیوپاک نیست، علاوه بر این، غیر تهاجمی است. بنابراین می توان آن را برای بیمارانی که نیاز به معاینات طولانی مدت و منظم fMRI دارند کاملاً بی خطر در نظر گرفت. از fMRI می توان برای مطالعه مکانیسم های تشکیل تشنج های صرع استفاده کرد و از برداشتن قشر عملکردی در بیماران مبتلا به صرع لوب فرونتال مقاوم جلوگیری کرد. نظارت بر بهبودی مغز پس از سکته مغزی، مطالعه اثرات داروها یا سایر روش های درمانی، نظارت و نظارت بر درمان روانپزشکی - این لیست کاملی از کاربردهای احتمالی fMRI نیست. علاوه بر این، fMRI در حالت استراحت نیز وجود دارد که در آن پردازش داده های پیچیده به شما امکان می دهد عملکرد شبکه های مغز را در حالت استراحت مشاهده کنید.

منابع:

1. چقدر منشأ عصبی سیگنال fMRI BOLD را درک می کنیم؟ اوون جی آرتور، سیمون بونیفیس. TRENDS in Neurosciences جلد 25 شماره 1 ژانویه 2002
2. فیزیک تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) R. B. Buxton. هرزه. Prog. فیزیک 76 (2013)
3. استفاده از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی کاربردی در کلینیک. بررسی علمی. Belyaev A., Peck Kyung K., Brennan N., Kholodny A. مجله الکترونیکی رادیولوژی روسیه. جلد 4 شماره 1 2014
4. مغز، شناخت، ذهن: مقدمه ای بر عصب شناسی شناختی. قسمت 2 . ب. بارس، ن. گیج. م.: بینوم. 2014 صص 353-360.

متن: داریا پروکودینا

تغییرات در فعالیت جریان خون توسط تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی (fMRI) ثبت می شود. این روش برای تعیین محلی سازی شریان ها، ارزیابی میکروسیرکولاسیون مراکز بینایی، گفتار، حرکت، قشر برخی از مراکز عملکردی دیگر استفاده می شود. یکی از ویژگی های نقشه برداری این است که از بیمار خواسته می شود تا وظایف خاصی را انجام دهد که فعالیت مرکز مغز مورد نظر را افزایش می دهد (خواندن، نوشتن، صحبت کردن، حرکت دادن پاها).

در مرحله نهایی، نرم افزار با جمع بندی توموگرام های لایه ای مرسوم و تصاویر مغز با بار عملکردی، تصویری تولید می کند. مجموعه اطلاعات یک مدل سه بعدی را نمایش می دهد. مدل سازی فضایی به متخصصان اجازه می دهد تا شی را با جزئیات مطالعه کنند.

همراه با طیف سنجی MRI، این مطالعه تمام ویژگی های متابولیسم تشکیلات پاتولوژیک را نشان می دهد.

اصول MRI عملکردی مغز

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی بر اساس ثبت فرکانس رادیویی تغییر یافته اتم‌های هیدروژن در محیط مایع پس از قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی قوی است. اسکن کلاسیک اجزای بافت نرم را نشان می دهد. برای بهبود دید رگ های خونی، کنتراست داخل وریدی با گادولینیوم پارامغناطیس انجام می شود.

MRI عملکردی فعالیت نواحی جداگانه قشر مغز را با در نظر گرفتن اثر مغناطیسی هموگلوبین ثبت می کند. این ماده پس از بازگشت مولکول اکسیژن به بافت ها به یک پارامغناطیس تبدیل می شود که فرکانس رادیویی آن توسط حسگرهای دستگاه دریافت می شود. هرچه جریان خون به پارانشیم مغز شدیدتر باشد، سیگنال بهتری دریافت می کند.

مغناطش بافت علاوه بر این با اکسیداسیون گلوکز افزایش می یابد. این ماده برای اطمینان از فرآیندهای تنفس بافتی نورون ها ضروری است. تغییر القای مغناطیسی توسط سنسورهای دستگاه ثبت و توسط نرم افزار کاربردی پردازش می شود. دستگاه های میدان بالا وضوح با کیفیت بالایی ایجاد می کنند. در توموگرام، تصویری دقیق از جزئیات با قطر تا 0.5 میلی متر قابل ردیابی است.

مطالعه MRI عملکردی سیگنالی را نه تنها از عقده های پایه، قشر سینگولات، تالاموس، بلکه از تومورهای بدخیم نیز ثبت می کند. نئوپلاسم ها شبکه عروقی خود را دارند که از طریق آن گلوکز و هموگلوبین وارد تشکیل می شوند. ردیابی سیگنال به شما امکان می دهد خطوط، قطر، عمق نفوذ تومور به ماده سفید یا خاکستری را مطالعه کنید.

تشخیص عملکردی MRI مغز مستلزم داشتن مدرک دکترای تشخیص پرتو است. مناطق مختلف قشر با میکروسیرکولاسیون متفاوت مشخص می شوند. اشباع با هموگلوبین، گلوکز بر کیفیت سیگنال تأثیر می گذارد. ساختار مولکول اکسیژن، وجود جایگزین های جایگزین برای اتم ها باید در نظر گرفته شود.

میدان مغناطیسی قوی نیمه عمر اکسیژن را افزایش می دهد. این اثر زمانی کار می کند که قدرت دستگاه بیش از 1.5 تسلا باشد. تنظیمات ضعیف تر نمی توانند فعالیت عملکردی مغز را بررسی کنند.

شدت متابولیک خون رسانی به تومور به بهترین وجه با استفاده از تجهیزات میدان بالا با قدرت 3 تسلا تعیین می شود. وضوح بالا به شما امکان می دهد تمرکز کوچکی را ثبت کنید.

اثربخشی سیگنال از نظر علمی "پاسخ همودینامیک" نامیده می شود. این اصطلاح برای توصیف سرعت فرآیندهای عصبی با فاصله 1-2 ثانیه استفاده می شود. خون رسانی به بافت ها همیشه برای مطالعات عملکردی کافی نیست. کیفیت نتیجه با تجویز اضافی گلوکز بهبود می یابد. پس از تحریک، اوج اشباع پس از 5 ثانیه، زمانی که اسکن انجام می شود، رخ می دهد.

ویژگی های فنی مطالعه عملکردی MRI مغز

تشخیص عملکردی MRI بر اساس افزایش فعالیت نورون ها پس از تحریک فعالیت مغز با انجام یک کار خاص توسط فرد است. یک محرک خارجی باعث تحریک فعالیت حسی یا حرکتی یک مرکز خاص می شود.

برای ردیابی منطقه، حالت پژواک گرادیان بر اساس دنباله اکو مسطح ضربه ای فعال می شود.

تجزیه و تحلیل سیگنال اصلی در MRI به سرعت انجام می شود. ثبت یک توموگرام با فاصله 100 میلی ثانیه انجام می شود. تشخیص پس از تحریک و در طول دوره استراحت انجام می شود. این نرم افزار از توموگرام برای محاسبه کانون های فعالیت عصبی استفاده می کند و نواحی سیگنال تقویت شده را بر روی مدل سه بعدی مغز در حالت استراحت قرار می دهد.

برای پزشکان شرکت کننده، این نوع MRI اطلاعاتی در مورد فرآیندهای پاتوفیزیولوژیکی ارائه می دهد که با روش های تشخیصی دیگر قابل ردیابی نیستند. مطالعه کارکردهای شناختی برای افتراق بیماری های روانی و روانی برای عصب-روانشناسان ضروری است. این مطالعه به بررسی کانون های صرع کمک می کند.

نقشه نگاشت نهایی بیش از مناطقی از افزایش تحریک عملکردی را نشان می دهد. تصاویر مناطق حسی-حرکتی، فعالیت گفتاری شنوایی را در اطراف کانون آسیب شناختی تجسم می کنند.

ساختن نقشه های محل کانال های مغز را تراکتوگرافی می گویند. اهمیت عملکردی محل مجرای بینایی و هرمی قبل از برنامه ریزی جراحی به جراحان مغز و اعصاب اجازه می دهد تا مکان برش ها را به درستی برنامه ریزی کنند.

fMRI چه چیزی را نشان می دهد؟

MRI میدان بالا با تست های عملکردی با توجه به نشانه ها تجویز می شود، زمانی که لازم است پایه های پاتوفیزیولوژیکی عملکرد نواحی حرکتی، حسی، بینایی و شنوایی قشر مغز مورد مطالعه قرار گیرد. عصب‌روان‌شناسان از تحقیقات بر روی بیماران مبتلا به اختلال گفتار، توجه، حافظه و عملکردهای شناختی استفاده می‌کنند.

با استفاده از fMRI، تعدادی از بیماری ها در مرحله اولیه شناسایی می شوند - آلزایمر، پارکینسون، دمیلیناسیون در مولتیپل اسکلروزیس.

تشخیص عملکرد در مراکز درمانی مختلف در واحدهای مختلف انجام می شود. او می داند که MRI مغز چه چیزی را نشان می دهد، پزشک تشخیص. مشاوره با متخصص قبل از معاینه الزامی است.

نتایج با کیفیت بالا با اسکن با یک میدان مغناطیسی قوی به دست می آید. قبل از انتخاب یک مرکز پزشکی، توصیه می کنیم از نوع دستگاه نصب شده مطلع شوید. صلاحیت یک متخصص مهم است که باید از اجزای عملکردی و ساختاری مغز آگاهی داشته باشد.

آینده تشخیص عملکرد MRI در پزشکی

تحقیقات کاربردی اخیراً در پزشکی عملی معرفی شده است. از امکانات روش به اندازه کافی استفاده نمی شود.

دانشمندان در حال توسعه تکنیک هایی برای تجسم رویاها، خواندن افکار با استفاده از MRI ​​کاربردی هستند. قرار است از توموگرافی برای ایجاد روشی برای ارتباط با افراد فلج استفاده شود.

• تحریک پذیری عصبی؛
• فعالیت ذهنی؛
• درجه اشباع قشر مغز با اکسیژن، گلوکز؛
• مقدار هموگلوبین دی اکسیله در مویرگ ها؛
• مناطق گسترش جریان خون؛
• سطح اکسی هموگلوبین در عروق.

مزایای مطالعه:

1. تصویر موقت با کیفیت بالا؛
2. وضوح فضایی بالای 3 میلی متر؛
3. توانایی مطالعه مغز قبل و بعد از تحریک؛
4. بی ضرر بودن (در مقایسه با PET)؛
5. بدون تهاجم

استفاده انبوه از MRI ​​عملکردی مغز به دلیل هزینه بالای تجهیزات، هر معاینه منفرد، عدم امکان اندازه‌گیری مستقیم فعالیت عصبی، که در بیمارانی که دارای آخال‌های فلزی در بدن هستند (گیره‌های عروقی، کاشت گوش) قابل انجام نیست، محدود شده است.

ثبت متابولیسم عملکردی قشر مغز از ارزش تشخیصی بالایی برخوردار است، اما شاخص دقیقی برای ارزیابی پویا تغییرات در مغز در طول درمان، پس از جراحی نیست.

تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) روشی برای به دست آوردن تصاویر پزشکی توموگرافی برای معاینه غیر تهاجمی اندام ها و بافت های داخلی، بر اساس پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) است. این فناوری چندین دهه پیش ظاهر شد و امروزه می توان با استفاده از چنین دستگاهی در بسیاری از کلینیک های مدرن معاینه شد. با این حال، دانشمندان به کار بر روی بهبود دقت فناوری و توسعه سیستم‌های جدید و کارآمدتر ادامه می‌دهند. محقق ارشد موسسه ماکس پلانک در توبینگن (آلمان)، یکی از متخصصان برجسته است که حسگرهای جدیدی را برای MRI آزمایشی با میدان فوق العاده بالا توسعه می دهد. یک روز قبل، او یک دوره ویژه در برنامه کارشناسی ارشد برگزار کرد. سیستم ها و دستگاه های RF» دانشگاه ITMO و در مصاحبه ای با ITMO.NEWS در مورد کار خود و اینکه چگونه تحقیقات جدید در زمینه MRI به کارآمدتر شدن تشخیص بیماری کمک می کند صحبت کرد.

در چند سال گذشته شما در بخش تشدید مغناطیسی میدان بالا موسسه ماکس پلانک کار کرده اید. لطفاً به ما بگویید تحقیق فعلی شما در مورد چیست؟

من در حال توسعه حسگرهای فرکانس رادیویی جدید (RF) برای MRI هستم. آنچه MRI است، احتمالاً برای اکثر مردم شناخته شده است، زیرا در طول 40 سال گذشته، از زمانی که این فناوری توسعه یافته است، توانسته است به تعداد زیادی از کلینیک ها بیاید و به یک ابزار تشخیصی ضروری تبدیل شود. اما حتی امروزه نیز مردم در حال تلاش برای بهبود این فناوری با توسعه سیستم های جدید MRI هستند.

MRI در درجه اول یک آهنربای استوانه ای بزرگ است که یک بیمار یا داوطلب برای به دست آوردن یک تصویر سه بعدی در آن قرار می گیرد. اما قبل از ایجاد این تصویر، باید کارهای تحقیقاتی زیادی انجام دهید. توسط مهندسان، فیزیکدانان، پزشکان و سایر متخصصان انجام می شود. من یکی از حلقه های این زنجیره هستم و در تقاطع فیزیک و مهندسی تحقیق می کنم. به طور خاص، ما در حال توسعه حسگرهایی برای MRI آزمایشی میدان فوق‌العاده هستیم که در مرحله تحریک، دریافت و پردازش سیگنال به‌دست‌آمده در نتیجه اثر فیزیکی NMR استفاده می‌شود.

یکی از مسیرهای اصلی توسعه سیستم‌های آزمایشی جدید MRI با میدان فوق‌العاده بالا است، یعنی استفاده از یک میدان مغناطیسی ثابت بالاتر، که وضوح تصویر را بهبود می‌بخشد یا زمان اسکن را کاهش می‌دهد، که برای بسیاری از مطالعات بالینی و تشخیص بسیار مهم است.

توموگراف های بالینی معمولی از میدان های ثابت تا 3 T استفاده می کنند، اما توموگرافی های تجربی با میدان مغناطیسی 7 T و بالاتر در حال حاضر ظاهر می شوند. مرسوم است که توموگراف هایی با میدان مغناطیسی 7 T و بالاتر با میدان فوق العاده بالا نامیده می شوند. در حال حاضر حدود صد توموگراف با میدان 7 T در جهان وجود دارد، اما پیشرفت هایی برای افزایش بیشتر میدان مغناطیسی در حال انجام است. به عنوان مثال، ما یک دستگاه MRI 9.4 T در موسسه ماکس پلانک در توبینگن داریم.

اما حتی با انتقال از 7 به 9.4 T، مشکلات فنی زیادی به وجود می آید که نیازمند پیشرفت های علمی و فنی جدی از جمله محاسبه و طراحی سنسورها برای MRI نسل جدید است.

این سختی ها چیست؟

افزایش در میدان مغناطیسی ثابت منجر به افزایش متناظر در فرکانس سنسورهای RF می شود. به عنوان مثال، اسکنرهای 3 تی بالینی از مبدل هایی با فرکانس تشدید حدود 120 مگاهرتز استفاده می کنند، در حالی که اسکنرهای 7 تی به مبدل هایی با فرکانس 300 مگاهرتز نیاز دارند. این در درجه اول منجر به کوتاه شدن طول موج میدان RF در بافت های انسانی می شود. اگر فرکانس 120 مگاهرتز تقریباً با طول موج 35-40 سانتی متر مطابقت داشته باشد، در فرکانس 300 مگاهرتز به مقدار حدود 15 سانتی متر کاهش می یابد که بسیار کوچکتر از اندازه بدن انسان است.

در نتیجه این اثر، حساسیت حسگرهای RF می تواند به شدت در هنگام بررسی اجسام بزرگ (بیشتر از طول موج) مخدوش شود. این منجر به مشکلاتی در تفسیر تصاویر و تشخیص بیماری ها و آسیب شناسی های بالینی می شود. در میدان 9.4 T که مربوط به فرکانس سنسور 400 مگاهرتز است، همه این مشکلات حتی بحرانی تر می شوند.

یعنی چنین تصاویری عملاً غیرقابل خواندن می شوند؟

من اینطور نمی گویم. به طور دقیق تر، در برخی موارد این امر تفسیر آنها را دشوار می کند. با این حال، گروه هایی وجود دارند که در حال توسعه تکنیک هایی برای به دست آوردن تصاویر MR از کل بدن انسان هستند. با این حال، وظایف گروه ما در درجه اول بر مطالعه مغز متمرکز است.

چه فرصت هایی برای پزشکی در حال باز کردن تحقیقات در زمینه MRI میدان فوق العاده است؟

همانطور که می دانید، در طول MRI، فرد باید بی حرکت دراز بکشد: اگر در طول اندازه گیری ها شروع به حرکت کنید، تصویر مخدوش می شود. در عین حال، برخی از تکنیک های MRI ممکن است تا یک ساعت طول بکشد و واضح است که در تمام این مدت حرکت نکردن دشوار است. افزایش حساسیت توموگراف های میدان فوق العاده بالا این امکان را فراهم می کند که تصاویر را نه تنها با وضوح بالاتر، بلکه بسیار سریعتر نیز به دست آورید. این امر به ویژه در مطالعه کودکان و بیماران مسن اهمیت دارد.

همچنین غیرممکن است که به امکانات طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی اشاره نکنیم. MRS، روشی که به شما امکان می دهد تغییرات بیوشیمیایی در بافت ها را در بیماری های مختلف با غلظت متابولیت های خاص تعیین کنید - ویرایش ).

در MRI منبع سیگنال اصلی اتم های هیدروژن مولکول های آب است. اما علاوه بر این، اتم های هیدروژن دیگری نیز در مولکول های دیگر یافت می شوند که برای عملکرد بدن انسان مهم هستند. به عنوان مثال می توان به متابولیت های مختلف، انتقال دهنده های عصبی و غیره اشاره کرد. اندازه گیری توزیع فضایی این مواد با استفاده از MRS می تواند اطلاعات مفیدی برای مطالعه آسیب شناسی های مرتبط با اختلالات متابولیک در بدن انسان ارائه دهد. اغلب حساسیت توموگرافی های بالینی به دلیل غلظت کم و در نتیجه سیگنال کوچکتر برای مطالعه آن ها کافی نیست.

علاوه بر این، می توان سیگنال NMR را نه تنها از اتم های هیدروژن، بلکه از سایر اتم های مغناطیسی نیز مشاهده کرد که برای تشخیص بیماری ها و تحقیقات پزشکی نیز بسیار مهم هستند. با این حال، اولا، سیگنال NMR آنها به دلیل نسبت ژیرو مغناطیسی کوچکتر بسیار ضعیف تر است و ثانیاً محتوای طبیعی آنها در بدن انسان بسیار کمتر از اتم های هیدروژن است. افزایش حساسیت MRI با میدان فوق العاده بالا برای MRS بسیار مهم است.

یکی دیگر از حوزه‌های مهم تکنیک‌های MRI، که افزایش حساسیت برای آن حیاتی است، MRI عملکردی است که یک تکنیک مهم برای مطالعات شناختی مغز انسان است.

تاکنون اکثریت قریب به اتفاق کلینیک‌های دنیا دارای توموگرافی با میدان بالا نیستند. چشم انداز استفاده از توموگرافی 7 T و بعد از آن 9 T در تشخیص های مرسوم چیست؟

برای اینکه توموگراف به کلینیک بیاید، باید گواهی باشد، شرایط ایمنی بررسی شود و مستندات مناسب تهیه شود. این یک روش نسبتاً پیچیده و طولانی است. تاکنون تنها یک شرکت در جهان وجود دارد که نه تنها سنسورهایی را که ما می سازیم، بلکه خود دستگاه را نیز تایید کرده است. این زیمنس است.

7 توموگرافی T وجود دارد، تعداد آنها کم است و هنوز نمی توان آنها را کاملاً بالینی نامید. چیزی که من نام بردم یک گزینه پیش بالینی است، اما این دستگاه قبلاً تأیید شده است، یعنی به طور بالقوه می توان از آن در کلینیک ها استفاده کرد.

پیش‌بینی اینکه چه زمانی توموگرافی‌های 9.4 T در کلینیک‌ها ظاهر می‌شوند، حتی دشوارتر است. مشکل اصلی در اینجا گرم شدن موضعی بافت ها توسط میدان RF حسگر به دلیل کاهش شدید طول موج است. یکی از زمینه های مهم تحقیقات مهندسی در MRI فوق العاده با میدان بالا، شبیه سازی عددی دقیق این اثر برای اطمینان از ایمنی بیمار است. علیرغم این واقعیت که چنین تحقیقاتی در چارچوب نهادهای علمی انجام می شود، انتقال به عمل بالینی نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.

همکاری بین موسسه ماکس پلانک و دانشگاه ITMO در حال حاضر چگونه ساخته می شود؟ چه نتایج مشترکی را قبلاً به دست آورده اید؟

کار خیلی خوب پیش می رود. اکنون یک دانشجوی فوق لیسانس در دانشگاه ITMO با ما کار می کند. اخیراً مقاله ای در یکی از مجلات برجسته در مورد پیشرفت های فنی در زمینه MRI منتشر کرده ایم. در این کار، ما به طور تجربی نتایج مطالعات نظری قبلی را تأیید کردیم که حساسیت سنسورهای RF میدان فوق‌العاده را از طریق استفاده از آنتن‌های دوقطبی اصلاح‌شده و بهینه‌سازی شده بهبود می‌بخشد. نتیجه این کار به نظر من بسیار امیدوارکننده بود.

اکنون همچنین در حال کار بر روی چندین مقاله دیگر هستیم که به استفاده از روش های مشابه، اما برای کارهای دیگر اختصاص دارد. و اخیراً جورجی برای سفر به آلمان کمک هزینه دریافت کرد. ماه آینده، او به مدت شش ماه نزد ما می آید، و ما به کار با هم برای توسعه بیشتر حسگرها برای MRI ادامه خواهیم داد.

در این هفته دوره تخصصی کارشناسی ارشد «سیستم ها و دستگاه های فرکانس رادیویی» را برگزار کردید. موضوعات اصلی که به آن پرداختید چیست؟

این دوره به ویژگی های فنی مختلف توسعه حسگرها برای MRI اختصاص دارد. ظرافت های زیادی در این زمینه وجود دارد که باید بدانید، بنابراین من تعدادی از تکنیک های اساسی را ارائه کرده ام که برای طراحی و ساخت این سنسورها استفاده می شود. علاوه بر این، من یک سخنرانی در مورد آخرین پیشرفت های خود ارائه کردم. در مجموع، این دوره شامل هشت سخنرانی دو ساعته دانشگاهی است که به مدت چهار روز طراحی شده است. همچنین در پایان نمایشی برای کمک به توضیح بیشتر این تکنیک ها وجود دارد.

دانشجویان کارشناسی ارشد در حال حاضر در مرحله انتخاب مسیر آینده خود هستند، بنابراین فکر می کنم این دوره اطلاعات بیشتری را برای ارزیابی چشم انداز آنها به آنها می دهد.

و اگر به طور کلی در مورد آموزش در زمینه فناوری های MRI صحبت کنیم، به نظر شما، امروزه چه دانش و مهارت هایی در درجه اول از چنین متخصصانی لازم است؟

علیرغم این واقعیت که رشته ما اکنون برای استفاده در تشخیص بالینی بسیار محبوب و امیدوارکننده شده است، هیچ دوره مهندسی وجود ندارد که متخصصان بسیار تخصصی درگیر در ساخت کویل های MRI را آموزش دهد. یک شکاف وجود داشت. و من فکر می کنم که با هم می توانیم آن را پر کنیم.

النا منشیکووا

تحریریه پورتال خبری