این تکنیک به سرعت تبدیل به یک ابزار محبوب جهت اندازه گیری فعالیت مغز شده است. و به وسیله رفتارهای عمل (Task ) با وضوح ۲_۵ میلیمتری بخشهای فعال مغز را آشکار می کند این بدین معناست که مناطق فعال مغز با فاصله ۲_ ۵ میلیمتری از همدیگر قابل تشخیص هستند.
شایعترین سکانس پالسی که استفاده می شود GE EPI است و شایعترین تکنیکی که کنتراست مناسبی ایجاد می کند تکنیک وابستگی کنتراست به میزان غلظت اکسیژن است:
Blood Oxygenation Level Dependent contrast
تکنیک Bold بر اساس این واقعیت است که در شرایط طبیعی فعالیت نورونی و هموداینامیکی (تنظیم جریان خون و اکسیژن رسانی ) در مغز با هم مرتبط هستند.
مقدار انرژی آزاد شده به وسیله مولکولهای هیدروژن پس از پایان Rf با گذشت زمان تنزل می یابد آهنگ این از دست دادن انرژی برای بافت های مختلف ، تفاوت دارد و همین موضوع باعث تفکیک بافتها در حد امکان می شود .
یکی از دلایل افت سیگنال fMRI دفازه شدن حرکت فرفره ای MDM های هسته های هیدروژن به علت غیر یکنواختی میدان مغناطیسی است غیر یکنواختی بزرگتر میدان میدان مغناطیسی دفازه شدن سریعتر MDMها و در نتیجه سیگنال کمتر را به دنبال خواهد داشت .
از آنجایی که سیگنال fMRI بعد از زمان مشخص از خاتمه پالس Rf اندازه گیری می شود ؛ بزرگی سیگنال دریافتی در زمانی که آهنگ از دست دادن انرژی سریعتر باشد کمتر از زمانی است که آهنگ از دست دادن انرژی کند تر است بنابر این غیر یکنواختی بزرگتر میدان مغناطیسی باعث دریافت سیگنال کوچکتر در fMRI خواهد شد .
منحنی HRF?
بعد از یک افزایش لحظه ای در فعالیت نورونی سیگنال BOLD fMRI به علت مصرف اکسیژن توسط نورونها که افزایش نسبی میزان اکسی هموگلوبین را به دنبال خواهد داشت کاهش می یابد این کاهش سیگنال اندک است و همیشه نیز ملاحظه نمی شود
به دنبال این کاهش اولیه یک افزایش قابل توجه در سیگنال وجود خواهد داشت که بعد از حدود ۶ ثانیه به ماکزیمم می رسد این افزایش سیگنال به علت تامین بالای اکسیژن در خون است نتیجه این تامین اکسیژن کاهش قابل توجه میزان د اکسی هموگلوبین در خون است که باعث افزایش سیگنال می شود
سرانجام میزان د اکسی همو گلوبین به آرامی به سطح طبیعی برگشت کرده و سیگنال دچار استحاله شده و بعد از نزول اولیه از خط زمینه بعد از حدود ۲۴ ثانیه به خط زمینه می رسد ا
در شرایط ایده آل سیگنال BOLD می تواند فقط تغییرات مویرگهای نزدیک به منشا فعالیت نورونی را نشان می دهد.با این وجود سیگنال BOLD به آلودگیهای ناشی از حضور ورید ها و شریانهای بزرگ حساس است .شریانهای بزرگ تامین کننده اکسیژن مغز سرشار از اکسیژن هستند این بدان معنی است که در این شریانها پتانسیل اندکی برای تغییر سطح اکسیژن خون وجود دارد از آنجا که سیگنال fMRI تغییرات میزان نسبی اکسیژناسیون را اندازه گیری می کند لذا این شریانها سهم قابل توجهی در تغییر سیگنال BOLD ندارند
لکن سطح اکسیژن وریدهای تخلیه کننده فقط ۷۰درصد است .
کاهش نسبی در داکسی هموگلوبین در این وریدهای بزرگ نسبت به مویرگهای مجاور منشا فعالیت نورونی بزرگتر است این بدین معناست که محل بیشترین سیگنال BOLD می تواند به اندازه میلی مترهای محدودی از محل فعالیت نورونی جابجا شود . به علاوه این وریدهای بزرگ خون ناحیه ای از مغز که بزرگتر از منطقه فعالیت نورونی است را تخلیه می کنند در نتیجه ناحیه به تصویر کشیده شده بزرگتر از اندازه واقعی ناحیه فعالیت نورونی است این مشکل را Spatial blurring گویند.
همچنانکه دیدیم علیرغم تفکیک فضایی خوب این تکنیک ، تفکیک زمانی این تکنیک در مقایسه با روش هایی از قبیل EEG که فعالیت نورونی را به طور مستقیم اندازه گیری می کنند کم است
تقسیم بندی کلی مناطق اناتومیکال مغز
شکلهای فوق نمایش کلی مناطق عملکردی مغز را نشان میدهد?
مناطق مختلف قشر مغز دارای نقش عملکرد مختص به خود می باشند و به دلایل مختلف پزشکی در مواردی نیاز داریم این مناطق را شناسایی کنیم
بر خلاف تقسیمات نواحی اناتومیکی مغز شناسایی مناطق عملکردی علیرغم داشتن الگوی نسبتا مشابه در همه افراد اما در هر فردی مختص خودش می باشد و به همین دلیل برای تعیین دقیق مناطق عملکردی هر فرد باید آزمون مربوطه را انجام دهیم.
بدیهی است دقیقترین روش تعیین مناطق عملکردی مغز کار گذاشتن الکترود در نواحی مختلف مغز و مشاهده تحریک مربوطه می باشد که البته این روش به علت تهاجمی بودن اغلب روش انتخابی نیست .
یکی از روش های تعیین مناطق عملکردی که البته روشی غیر تهاجمی است ام آر آی عملکردی می باشد (fMRI )
همچنانکه در شکل شماتیک میبینیم میزان د اکسی هموگلوبین در خون وریدی در ناحیه ای که Task نداریم در قسمت انتهای وریدی بستر مویرگی بیشتر از قسمت شریانی بستر مویرگی می باشد برآیند چنین حالتی ایجاد signal loos خواهد بود در حالی که در ناحیه ای که Task داریم به علت اینکه میزان اکسیژن رسانی بیش از حد مورد نیاز است نسبت داکسی هموگلوبین در انتهای وریدی بستر مویرگی کمتر است و در واقع نسبت اکسی همو گلوبین در این ناحیه بالاتر است و با توجه به اینکه اکسی هموگلوبین دیا مغناطیس است برآیند کلی در این ناحیه افزایش اکسی هموگلوبین و در نتیجه افزایش سیگنال می باشد.
و اینچنین است که مناطق عملکردی در آزمون های ام آر عملکردی به صورت high signal دیده می شوند.
در طول انجام یک آزمون ،مغز به طور مداوم فعال است این بدین معنی است که میزان اکسیژناسیون خون دایما در حال تغییر است با این وجود به صورت معمول فقط ۱ تا ۱۰ درصد از این تغییر واقعا مرتبط با Task مورد نظر ما و تشکیل سیگنال مربوطه است .
طراحی یک آزمون fMRI مستلزم دقت بالایی است زیرا طراحی مطلوب آزمون امکان یافتن جواب قابل اعتماد جهت تحقیق را بیشینه می کند به عبارت دیگر طراحی مطلوب آزمون هم توان آماری و هم توان استنباط دریافتی را بیشینه می کند.
نکته قابل توجه در مورد فعالیت مغز آنست که بدون انجام دادن هر گونه فعالیت ویژه ای به عنوان Task شبکه مغز در حالت عادی نیز فعال است و این بدین علت است که حواس ۵ گانه ما در حالت معمولی نیز درگیر فعالیت های پایه مورد نیاز بدن است و تحقیقات زیادی پیرامون فعالیت قشر مغز در حالت استراحت انجام شده است.
و در واقع هدف از طراحی پروتکل در fMRI که شامل فاکتورهایی موثر بر نقاط high signal نشان داده شده میباشد استخراج قسمت خاصی از مناطق عملکردی مغز می باشد که مرتبط با مطالعه مورد نظر ماست.
پارامترهای موثر بر طراحی پروتوکل شامل زمان و نوع و طول مدت Task و Rest آموزش کامل و صحیح بیمار ، در اختیار داشتن سخت افزار و نرم افزارهای مورد نیاز داشتن دانش فنی مورد نیاز ، ابعاد ماتریس، FOV ، ضخامت مقطع، TR،Te , FA, NEX , تعداد والیوم می باشد.
به طور کلی آنچه در این آزمون اتفاق می افتد عبارتست از این که کل مغز بر اساس طراحی پروتکل چندین بار تصویر برداری میشه و در حین انجام تصویربرداری با انجام رفتار عمل (Task ) و استراحت( rest ) یک ناحیه خاص از قشر مغز را به صورت های سیگنال به تصویر میکشیم
هر بار آزمون (Run) نمودن fMRI در روزهای مختلف از بیمار(subject)را session گویند.
در این تصویر مفهوم والیوم به خوبی مشخص است.
هر بار تصویر برداری از کل مغز را یک والیوم گوییم
طراحی آزمون:
نوع اول Block Design است
این روش شایعترین روش طراحی آزمون در تصویربرداری سیستم عصبی است در یک طراحی block در بلاکها دو یا تعداد بیشتری شرایط متغیر گنجانده می شود. در هر بلاک تعداد خاصی اسکن fMRI انجام می شود و داخل هر بلاک فقط یکی از شرایط وجود دارد با ایجاد اختلاف شرایط در تنها فرآیند درکی مورد نظر تغییر سیگنال fMRI باید معرف آن فرآیند درکی باشد.
این دیاگرام HRF یک نمونه طراحی بلاک می باشد.نقاط قرمز رنگ معرف انجام Task می باشد و فواصل بین بلاکهای Task در واقع بلاک rest می باشد
نوع دوم طراحی آزمون
Event Related design
یا طراحی مرتبط با رویداد است.
نکته قابل توجه در این روش آنست که با وجود حضور کوتاه مدت محرک ، پاسخ همو داینامیک حدود ۲ تا ۳۰ ثانیه به طول می انجامد اگر فقط بخش مثبت پاسخ Bold در نظر گرفته شود پاسخ همو داینامیک حدود ۱۰ تا ۱۵ ثانیه به طول می انجامد ساده ترین طراحی های مرتبط با رویداد آن است که فاصله زمانی تحریکات منفرد به گونه ای باشد که از روی هم قرار گرفتن پاسخهای تحریکات متوالی اجتناب شود.
آنالیزهای fMRI
در یک آزمون روتین fMRI هر بار اندازه گیری از تمام مغز که حدود ۲ تا ۴ ثانیه به طول می انجامد به عنوان یک والیوم شناخته می شود برای تعیین نواحی از مغز که تحت شرایط فعالیت( Task ) افزایش قابل ملاحظه ای در پاسخ Bold fMRI نشان میدهند صدها والیوم از مغز تصویربرداری میشود برای نایل شدن به این هدف مجموعه داده های fMRI باید مراحلی طی کنند
مرحله اول slice timing correction
یا مرحله تصحیح زمانی برش است.
همچنانکه میدانیم جمع آوری همه برشها به طور همزمان صورت نمی گیرد با این وجود در آنالیز آماری فرض بر این است که تمام والیوم در یک نقطه زمانی جمع آوری میشوند برای دستیابی به این هدف باید اینگونه به نظر برسد که تغییرات Bold fMRI برشهایی که دیرتر جمع آوری می شوند در زمان زودتری نسبت به برشهایی که زودتر جمع آوری می شوند بروز میکنند
برای حل این مشکل برشهای منفرد باید در دامنه زمان تنظیم شوند که این امر با اصلاح زمانی اختلاف زمان جمع آوری مابین برش ها انجام می شود
اختلاف زمانی در دریافت سیگنال لایه های مختلف در این شکل مشهود است
مرحله دوم Spatial Realignment
یا سو گیری مجدد فضایی نامیده می شود
در طول انجام آزمون fMRI برای هر بیمار در یک سری زمانی منفرد صدها والیوم از مغز جمع آوری می شود حتی با وچودیکه بیماران آموزش داده می شوند که تا حد امکان از هر گونه حرکتی در داخل اسکنر بپرهیزند باز هم وقوع بعضی حرکات سر اجتناب ناپذیر است نتیجه اصلی حرکات سر آنست که یک وکسل یکسان الزاما در تمام برشهای مربوطه در تمام مدت زمان آزمون در مکان اولیه خود حاضر نیست با این وجود در آنالیزهای آماری فرض بر این است که هر وکسل در تمام مدت زمان انجام آزمون در مکان اولیه خود حاضر است
حذف اثرات حرکت که برای هر بیمار به صورت مجزا انجام می شود به عنوان سوگیری مجدد فضایی شناخته می شود.
مرحله بعدی spatial coregistration
یا باهم ثبت کردن فضایی می باشد
از آنجاییکه تصاویر وزن* fMRI T2 اغلب فاقد جزییات آناتومیکی هستند و بیشترین جزییات آناتومیکی در تصاویر دارای وزن T1 مشاهده می شوند مشاهده نواحی فعال fMRI بر روی تصاویر آناتومیکی T1 با قدرت تفکیک بالا تعیین دقیق موقعیت آناتومیکی مناطق فعال آزمون fMRI را تسهیل می کند این پدیده یعنی انطباق تصاویر دارای وزن های متفاوت به عنوان با هم ثبت کردن فضایی شناخته می شود.
مرحله بعدی spatial normalization
یا استاندارد سازی فضایی نامیده می شود.
در طول یک ازمون fmri مجموع داده ها معمولا برای چندین بیمار جمع اوری میگردد با این وجود همه مغز ها در جهت ، اندازه وشکل با هم تفاوت دارند بنابراین جهت ، اندازه و شکل هر مغز برای منطبق شدن به مغز استاندارد تغییرات منحصر بفردی خواهد کرد برای اینکه مغز های مختلف در یک اندازه وشکل شبیه به هم قابل توصیف باشند دلایلی وجود دارد.اولا وقتی یک وکسل یکسان در مغز هر بیمار معرف محل اناتومیکی یکسانی است امکان مقایسه بین تمام بیماران فراهم می شود
ثانیا وقتی مغز های مختلف بر روی مغز استاندارد مشخص به تصویر کشیده میشوند ارتباط موضع اناتو میکی فعال مورد نظر بین گروه های مختلف تحقیقاتی کمتر سلیقه ای می شود.
این انطباق مغز های افراد به یک مغز استاندارد بعنوان استانداردسازی فضایی شناخته می شود.
مرحله بعدی spatial smothing
یا نرم سازی فضایی نامیده میشود
به منظور بهبود بیشتر SNR داده ها, اغلب به وسیله ی کانولوشن با یک کرنل گوسی شکل سه بعدی, نرم سازی فضایی میشوند. در این فرآیند شدت سیگنال هر وکسل با میانگینی از شدت سیگنال وکسل های مجاور جایگزین میشود. شکل و پهنای کرنل گوسی شکل وزن های استفاده شده از وکسل های مجاور را در مقدار میانگین تعیین می کند. نکته قابل توجه آنست که نرم سازی فضایی تفکیک فضایی را کاهش داده و بنابر این باید در استفاده از آن دقت شود.
مرحله بعدی Temporal filtering
یا فیلترینگ زمانی نامیده میشود.
به برداشتن فرکانس های زمانی ناخواسته از مجموعه ی داده ها فیلترینگ زمانی گفته میشود. اغلب در یک سری زمانی BOLD fMRI فرکانس های پایین منعکس کننده اثرات فیزیولوژیکی مانند تنفس و ضربان قلب است. به وسیله استفاده از یک فیلتر زمانی بالاگذر فرکانسهای پایین اشاره شده حذف می شوند.
مرحله بعدی Statistical Analysis
یا آنالیز آماری نامیده می شود.
هدف از آنالیز اماری, تعیین نواحی از مغز است که تحت شرایط فعالیت (Task) به طور قابل توجهی فعال میشوند. شایع ترین روش مورد استفاده جهت انالیز اماری ( General Linear Model) است.
در مرحله انالیز اماری, سری زمانی تک تک وکسل ها آنالیز می شود و وکسل هایی که سری زمانی آنها مطابق مدل Task و Rest باشند به عنوان نواحی فعال مغزی تعیین می شوند.
برخی نرم افزارهای شایع مود استفاده در fmri و DTiد ر اینترنت
منبع: گروه تلگرام Optimizing MRI Sequences
تهیه کننده : جناب آقای توکلی
