fMRI - WBNS

Neurokognitywistyka
WYKŁAD 6a
Obrazowanie aktywności metodą
funkcjonalnego rezonansu magnetycznego
(fMRI)
Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski
Uniwersytet Kardynała Stefana
Wyszyńskiego
Instytut Biologii Doświadczalnej PAN
Tomograf MRI
• Największą częścią aparatu MRI jest ogromny i bardzo silny
elektromagnes o polu stałym ( w badaniach ludzi 1.5 – 7 Tesla). Ponadto w
jego skład wchodzą elektromagnesy pomocnicze oraz zestaw nadajników i
czujników promieniowania w zakresie fal radiowych.
• Osoba badana jest układana na specjalnym wózku i unieruchamiana, a
następnie wraz z wózkiem wprowadzana do wnętrza elektromagnesu.
Zależnie od celu, badanie trwa od kilku minut do kilku godzin.
• Ogromny magnes urządzenia zużywa bardzo dużo energii i wytwarza
wysoki poziom hałasu. Po wyłączeniu potrzeba kilku dni, aby
ustabilizować jego pracę.
Konstrukcja mapy MRI
• W czasie jednej sesji zbierane są
miliony pojedynczych sygnałów.
• Są one następnie przetwarzane w
programach komputerowych,
konstruujących mapy natężenia
sygnału w różnych punktach przestrzeni
badanego obiektu. Natężenie to odpowiada
koncentracji protonów nieparzystych.
• Jeśli koordynaty przestrzeni, w jakiej
znajduje się próbka są znane, to informacja
przestrzenna może zostać odkodowana a
zebrane widma mogą zostać zamienione na
trójwymiarowy obraz próbki.
• Odkodowanie obrazu nazywane jest jego
rekonstrukcją.
Sygnały używane do tworzenia obrazu
w tomografii magnetycznego
rezonansu jądrowego (MRI)
• Na podstawie zejestrowanego, złożonego sygnału
emitowanego przez wzbudzone protony w
częstotliwościach fal radiowych można wyliczyć dla danego
kierunku w przestrzeni:
• ● Ilość energii potrzebnej do uporządkowania spinów
protonów.
• ● Wielkość energii E (informacja o częstości precesji)
• ● Czas relaksacji spinu protonów.
• Wszystkie te miary dają informację o gęstości upakowania
protonów w różnych punktach przestrzeni.
• Różne związki chemiczne i tkanki różnią się gęstością
upakowania w nich protonów wodoru.
Co naprawdę obrazujemy przy
pomocy MRI?
• Najczęściej wykorzystywanym w obrazowaniu
MR jądrem rezonansowym jest pojedynczy
proton — jądro atomu wodoru występujące
powszechnie w obiektach biologicznych, w
szczególności w cząsteczkach wody. W ciele
człowieka 80% atomów to atomy wodoru, one
więc dają najsilniejszy sygnał.
• Stopień uwodnienia tkanek i proporcja roztworów
wodnych do ciał tłuszczowych jest najważniejszą
zmienną, generująca odmienne natężenie
sygnału w różnych punktach badanego obiektu,
na przykład układu nerwowego.
Odmiany rejestracji MRI
• Ze względu na parametry podstawowe, metody
obrazowania dzieli się na:
• obrazy T1-zależne, najlepiej oddające wizualnie strukturę
anatomiczną mózgu, gdzie istota biała jest ukazywana w jasnych
kolorach, zaś istota szara w ciemnych, płyn mózgowo-rdzeniowy,
ropnie i guzy na ciemno, a n.p. miąższ wątroby na jasno.
• obrazy T2-zależne, na których istota biała ukazywana jest w
ciemniejszych barwach, zaś istota szara – w jaśniejszych, płyn
mózgowo-rdzeniowy, guz, ropień, naczyniak wątroby i śledziona – na
jasno, a wątroba i trzustka – na ciemno.
• FLAIR (ang. Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pewna
modyfikacja sekwencji T2-zależnej, gdzie obszary z małą ilością wody
ukazywane są w ciemniejszych barwach, zaś obszary z dużą ilością
wody – w jaśniejszych. Obrazowanie w tej sekwencji znajduje dobre
zastosowanie w wykrywaniu chorób demielinizacyjnych.
• Obrazowanie dyfuzyjne mierzy dyfuzję molekuł wody w tkance.
Wyróżnia się tutaj następujące techniki: obrazowanie tensora dyfuzji
(ang. DTI – diffusion tensor imaging), które może być zaadaptowane
do obrazowania kierunku przebiegu włókien w istocie białej, oraz
obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. DWI – diffusion-weighted
imaging), które wykazuje się dużą skutecznością w obrazowaniu
udarów mózgu.
Obrazy MRI
• Od lewej:
• - obraz pokazujący przekrój strzałkowy (płaszczyzna
pionowa) przez środek głowy człowieka;
• - obraz przekroju horyzontalnego przez głowę człowieka;
• - obraz przekroju czołowego przez jamę brzuszną
człowieka.
Obrazowanie tensora dyfuzji
• Aksony są rurkami z
substancji tłuszczowych,
w których znajduje się
nasycona wodą plazma
komórkowa.
• Cząsteczki wody, wraz z
ich atomami wodoru, nie
mogą w nich wykonywać
ruchów Browna z tym
samym
prawdopodobieństwem
we wszystkich
kierunkach.
• Możliwe jest
zobrazowanie
nierównomierności
kierunku ruchów Browna
wody w aksonach, co
wyznacza trasę i kierunek
przebiegu włókien
nerwowych.
Obrazowanie szlaków włókien w żywym
mózgu przy pomocy analizy tensora
dyfuzji (DTI) - traktografia
Kolory są dodawane sztucznie, oznaczając pęczki
włókien o wspólnym pochodzeniu.
fMRI
• Funkcjonalny magnetyczny rezonans jądrowy
(ang. functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)
jest odmianą obrazowania MRI.
• Metoda ta pozwala na uwidocznienie tych obszarów
układu nerwowego, w których wystepuje
hemodynamiczna odpowiedź układu krwionośnego na
niedotlenienie tkanki.
• Gdy w jakimś miejscu tlenu jest mniej, to w tym miejscu
naczynia krwionośne rozszerzają się. Zwiększony napływ krwi
zwiększa zawartość wody w tkance, co zmienia obraz MRI.
• Ponadto, krew ta jest utlenowana, a więc żelazo hemoglobiny w
niej zawartej ma inną wartościowość, niż w krwi pozbawionej
tlenu. Sygnał pochodzący z jądra atomu żelaza utlenowanej
hemoglobiny (sygnał BOLD) jest podstawą obrazowania
metodą BOLD.
fMRI BOLD
• Istotą rejestracji metodą fMRI BOLD jest
wykrywanie i pomiar skoordynowanego z
poziomem zużycia tlenu w danej tkance efektu
BOLD (blood-oxygen-level-dependent contrast).
• Siła efektu BOLD jest zależna od zmiany
(wzrostu) przepływu krwi i stopnia jej utlenowania
w tych strukturach mózgu, które są aktywne w
czasie reakcji na bodźce lub wykonywania
pewnych zadań mentalnych.
• W czasie wykonywania zadania, wymagającego
zwiększonej aktywności danej struktury, jej obraz
BOLD jest inny, niż w czasie spoczynku.
fMRI
• Pierwsze udane rejestracje fMRI przeprowadzono w 1992 r.
• W roku 2012 liczba prac klinicznych i naukowych
wykonanych z zastosowaniem fMRI przekroczyła 25 000, a
w końcu 2014 – 37 000.
• Obecnie fMRI stał się dominującą metodą obrazowania
aktywności mózgu ze względu na bezpieczeństwo i
stosunkowo łatwy dostęp do tej aparatury.
• Podstawowymi obszarami zastosowań fMRI są: psychiatria,
neurologia i neurochirurgia, a także neuropsychologia
kliniczna.
• Badania fMRI są też wykorzystywane w badaniach
podstawowych, np. w psychologii doświadczalnej.
• fMRI jest jedyną techniką nieinwazyjną obiektywnie
obrazującą poziom aktywności różnych struktur mózgu
związany z różnymi procesami psychicznymi.
• W medycynie przy pomocy fMRI bada się zmienność
aktywności struktur mózgu wynikającą ze stanu klinicznego
pacjenta (np. poprawy lub pogorszenia funkcjonowania w
trakcie leczenia).
Etapy konstrukcji obrazu fMRI
• 1. Stworzenie obrazu mózgu w spoczynku przy
pomocy rejestracji klasycznego MRI oraz sygnału
BOLD . Obrazuje on (zależnie od sposobu indukcji
spinu i rejestracji) stopień uwodnienia tkanek (MRI)
lub stopień zawartości w nich tlenu lub żelaza
(BOLD). Daje to obraz dynamiki przepływu krwi w
różnych strukturach.
• ZAŁOŻENIE: tempo metabolizmu danej struktury
mózgu jest proporcjonalne do jej aktywności.
• 2. Powtórzenie rejestracji podczas rozwiązywania
pewnych zadań, lub pozostawania w pewnym
stanie psychicznym. Gdy badana struktura jest
aktywna, jej metabolizm jest wyższy o 1-10%.
Etapy konstrukcji obrazu fMRI
• 3. Odjęcie obrazu 1 od obrazu 2. Wówczas w
pewnych obszarach ujawniają się różnice
sygnałów „na plus”, świadcząca o aktywności
struktury, lub „na minus”, świadcząca o obniżeniu
trwającej uprzednio aktywności.
• 4. Kolorowanie danych – obszary zwiększające
aktywność na żółto i czerwono, zmniejszające –
na zielono i niebiesko.
• 5. „Normalizacja danych” – nałożenie na
standardowy (konwencjonalnie przyjęty dla
wszystkich badań) obraz mózgu.
• 6. Z literatury - przypisanie funkcji okolicom
aktywnym i zahamowanym, ustalenie sekwencji
ich aktywacji.
Przebieg badania
• Stosuje się różnorodne, z reguły proste bodźce lub
zadania:
- percepcja bodźca wzrokowego, słuchowego lub też
czuciowego;
- bodziec wywołujący reakcję emocjonalną badanego;
- wybór odpowiedzi "tak" lub "nie" w reakcji na pytanie
zadane badanemu.
- wykonanie polecenia wyobrażenia sobie pewnej
sytuacji, miejsca.
• Odpowiedzi są udzielane z reguły poprzez przyciski
uruchamiane palcami, by nie wprowadzać sygnału z
aktywnych mięśni głowy, który musiałby powstać przy
artykulacji mowy.
• Treść pytań i typ zadań powodują aktywność różnych
obszarów mózgu mierzoną metodą fMRI.
Przebieg badania fMRI
• U ludzi, optymalny pomiar efektu BOLD
uzyskiwany jest za pomocą skanerów MRI
indukujących pole magnetyczne 3 tesla (3T).
• Stosowanie skanerów o mniejszej sile wymaga
powtarzania badań, aby odróżnicować sygnał
odpowiedzi od szumu, co często jest trudne lub
niemożliwe.
• Istnieje możliwość prowadzenia złożnych badań
łączących fMRI z innymi technikami, np. z EEG.
Przykłady badania fMRI –
aktywacja kory ruchowej
PO LEWEJ: Aktywacja kory ruchowej
podczas ruchów lewą i prawą dłonią w
stanie pełnej świadomości.
PO PRAWEJ: Aktywacja kory ruchowej
podczas ruchów lewej i prawej dłoni w
stanie snu paradoksalnego. Przekroje
poziome (horyzontalne). M. Dresler 2011.
UWAGA: na obrazach fMRI STRONY
MÓZGU SĄ ODWRÓCONE
Kolor pomarańczowy – obszary kory
mózgu, w których zwiększył się
przepływ krwi podczas:
- zaciskania lewej dłoni na komendę
badającego (ruch świadomy)
- świadomych ruchów nóg;
- świadomych ruchów prawej ręki
Problemy z fMRI
• Metoda fMRI rejestruje zmiany przepływu krwi w
strukturach mózgu.
• Rozdzielczość przestrzenna metody nie jest duża (12
mm przy standardowym aparacie i czasie uśredniania).
• Układ hemodynamiczny reaguje wolno, toteż
rozdzielczość czasowa metody też jest słaba (co
najmniej kilka sekund).
• Hamowanie aktywności pewnych struktur jest trudne do
udowodnienia metodą fMRI, ponieważ hamowanie na
ogół jest procesem aktywnym, a więc energochłonnym.
• Konieczność standaryzacji (nakładania danych na
wyidealizowany, standardowy model mózgu) zaciera
różnice indywidualne.
Zakłócenia obrazu MRI
Rezonans Magnetyczny obarczony jest dużą liczbą
możliwych artefaktów, mogących wpłynąć na
jakość obrazowania.
• Zakłócenia obrazu MRI wynikają z:
- niejednorodności pola magnetycznego;
- zakłóceń zewnętrznych
- wprowadzonych do organizmu biomateriałów
- czynników będących skutkiem biologicznej
aktywności organizmu (oddech, przepływ krwi,
tętnienie naczyń)
- składu biochemicznego (woda, tłuszcz)
badanych tkanek.
MRI – źródła artefaktów
• W Tomografii Komputerowej spotykamy
artefakty związane z:
- tak zwanym utwardzeniem wiązki (beam
hardening);
- całkowitym pochłanianiem fotonów przez
badany obiekt (photon starving);
- artefakty linijne (streak artefacts),
- zniekształcenia obrazu badanych przedmiotów
związane z rekonstrukcją obrazu
otrzymywanego w technice spiralnej
- efekt uśredniania (partial volume effect).
Zagrożenia
• Ponieważ badanie MRI wiąże się z
oddziaływaniem silnego pola magnetycznego,
może nie być wskazane u tych, którym
wszczepiono różnego rodzaju aparaty lub
metalowe implanty.
• Jeśli badany otrzymuje środek cieniujący,
istnieje niewielkie ryzyko wystąpienia reakcji
alergicznej. Ale jest ono mniejsze niż w wypadku
substancji kontrastowych stosowanych podczas
zdjęć rentgenowskich oraz tomografii
komputerowej.
Pytanie
1. Do jakich celów służą rejestracje
funkcjonalnego rezonansu jądrowego
(fMRI) i jak powstają?