روشهای تصویربرداری جریان خون

نمای کلی از روشهای تصویربرداری نورونی عملکردی

در جلسه ی قبل در مورد انواع فعالیت های مغزی و همچنین روش های ثبت آن صحبت کردیم. در این بخش در مورد روش های تصویربرداری جریان خون بحث خواهیم کرد.

مفهوم رزولوشن:

در حالت ایده ال، یک روش تصویربرداری باید بتواند هر رویداد در هر نورون را به تصویر بکشد. از آنجا که انجام چنین عملی در حال حاضر امکان پذیر نیست، هدف روشهای تصویربرداری رسیدن به حداکثر رزولوشن مکانی و زمانی ممکن، است. روزولوشن مکانی و زمانی هر برحسب فاصله ی بین دو نقطه کناری در زمان یا مکان که بتوان از هم تفکیک کرد، اندازه گیری میشود. برای مثال، در عکاسی دیجیتال، عکسی که توسط یک دوربین 1 مگاپیکسلی ثبت می شود، شامل یک سری مربعات کم است که جزئیات زیادی از منظره را نشان نمیدهد، در مقابل اگر از یک دوربین 10 مگاپیکسلی استفاده کنیم، تصویر حاصل شامل مربعات بیشتری است و در نتیجه تصویر با جزئیات بیشتری ایجاد می شود. اندازه مربعات را رزولوشن می نامند. عبارت رزولوشن در تصویربرداری مغزی نیز استفاده میشود، با این تفاوت که از آنجا که تصاویر مغزی سه بعدی ثبت می شوند، به جای پیکسل از عبارت وکسل استفاده می کنند.

رزولوشن مکانی 1 میلی متر به این معنی است که هر وکسل اندازه اش در هر طرف 1 میلیمتر است. 

رزولوشن زمانی نشان دهنده ی میزان زمان برای یک اندازه گیری است. دوباره با استفاده از همان رویکرد، در زمان ثبت ویدیو، هرچقدر تعداد فریمهای ثبت شده در هر ثانیه یاد باشد، تصویر صافتر خواهیم داشت و در عین حال حرکتهای موجود در تصویر را راحتر میتوانیم دنبال کنیم. رزولوشن مکانی معمولا برحسب ثاینه و یا میلی ثانیه اندازه گیری میشود. هم برای رزولوشن مکانی و هم برای رزولشن زمانی، مقادیر کم نشان دهنده رزولوشن بالا می باشد و برعکس آن، مقادیر بالا نشان دهنده رزولوشن ضعیف می باشند.

اگرچه فرایندهای متابولیکی، شیمیایی و الکتریکی را می توان با روشهای حال حاضر اندازه گیری کرد، ولی هر کدام از این روشها این اندازه گیریها را با رزولوشنهای متفاوتی انجام می دهند، که به نوع فرایندی که اندازه گیری می شود و ویژگی های تکنیک استفاده شده بستگی دارد.

در شکل زیر رزولوشن مکانی و زمانی برخی از روشهای اندازه گیری فعالیت مغز نشان داده شده است.

مواد شیمیایی مختلفی توسط PET تصویربرداری شوند، اما این روش رزولوشن مکانی و زمانی پایینی در مقایسه با روشهای الکتریکی و متابولیکی دارد. 10 ها دقیقه طول می کشد یک تصویر PET از مغز ثبت شود، به همین دلیل در بهترین حالت رزولوشن مکانی PET در حد متوسط می باشد. در مقابل، روشهای الکتریکی رزولوشن زمانی خیلی بالایی دارند. با استفاده از یک روش الکتریکی میتوان دو رویدادی که در فاصله چند میلی ثانیه از هم اتفاق می افتند را تفکیک کرد، ولی این روش روزلوشن مکانی مناسبی ندارد و نمیتوان موققیت دقیق فعالیت مغزی را مشخص کرد، مگر اینکه یک الکترود در روی مغز و یا داخل مغز کاشته شود تا بتوان رزولوشن مکانی خوبی داشت.

رزولوشن مکانی در روشهای الکتریکی پایین است زیرا که جریان فعالیت الکتریکی توسط رسانای پایین موادی مثل غشاء  و پوست سر، کمتر هدایت شد. و این باعث می شود که موقعیت دقیق فعالیت الکتریکی در مغز نا‌معلوم است و تصاویر تولید شده توسط روشهای الکتریکی رزولوشن مکانی پایینی دارند.

روشهای تصویربرداری جریان خون

روشهایی که فرایندهای متابولیک را اندازه گیری می کنند دارای رزولوشن مکانی خوبی هستند، با استفاده از این روشها میتوان تمام سطوح مغز را تصویربرداری کرد. سرعت تصویربردای این روشها بالا است، و یک تصویر در حدود نیم ثانیه گرفته می شود، اما از آنجا که میزان تغییرات خود خون آهسته است، این روشها رزولوشن زمانی متوسطی دارند. حدود 2 ثانیه طول می کشد تا رگ خونی به تقاضای اکسیژن افزایش یافته واکنش نشان دهد، و حدود 12 ثانیه طول می کشد تا بعد از کاهش تقاضا، جریان خون را کاهش دهد. با وجود این محدویتها، روشهای تصویربرداری جریان خون به خاطر داشتن رزولوشن مکانی بالا، و همچنین امکان تصویربرداری از تمام سطوح مغز، یک روش مفیدی برای بسیاری از محققان علوم اعصاب است.

به خاطر دلایل ذکر شده، روشهای تصویربردای جریان خون، در واسط مغز و کامپیوتر( BCI) نیز کاربرد فراوانی دارد.

در حال حاضر 4 روش کلی برای تصویربردای جریان خون وجود دارد:

داپلر ترانس کرانیال کاربردی (fTCD): این روش تغییرات جریان خون شاهرگهای اصلی مغز را اندازه گیری میکند. از بین چهار روش، استفاده از این روش بسیار آسان است، زیرا تجهیزات آن قابل حمل و مقرون به صرفه است. با اینکه این روش حساس است، و تنها برای اندازه گیری تفاوتهای بین نیمکره سمت راست و چپ استفاده می شود و به همین خاطر حداقل استفاده را برای اهداف BCI دارد.

طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک (Functional Near-Infrared Spectroscopy-fNIRS ):

در این روش به جای ثبت فعالیت الکتریکی در سطح مغز، تفاوت سطح خون در مغز را اندازه‌گیری می‌شود.

طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک یا fNIR یا fNIRS یکی از روش‌های نقشه‌برداری از  مغز  است که در آن امواج  مادون قرمز نزدیک به داخل سر تابش می‌شود و پس از تضعیف، مقداری از این نورها خارج می‌شود. نور دریافت‌شده می‌تواند تغییرات پارامترهایی مانند غلظت اکسی هموگلوبین و دئوکسی هموگلوبین را به شکل طیف به ما بدهد.

این روش رزولوشن مکانی و زمانی مناسبی ندارد

FMRI یا تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی (Functional Magnetic Resonance Imaging):

 مشهور به  fmri نوعی روش تصویربرداری در MRI  است.

در این روش تصاویری متناوب از مغز در حال فعالیت و سپس در حال استراحت گرفته می‌شود و از یکدیگر بطور دیجیتالی (بکمک نرم‌افزارهایی همانند اف اس ال) تفریق می‌گردند، که حاصل این پردازش عملکرد مغزی در اثر تغییرات جریان خونی در مغز را از لحاظ فیزیولوژیکی نشان می‌دهد.

توموگرافی انتشار پوزیترون (PET)

این روش علاوه بر ثبت فرایند شیمیایی، برای ثبت متابولیکی نیز می تواند استفاده شود. به خاطر اینکه این روش سرعت پایینی دارد، و نیاز است که یک ماده رادیواکتیو به بدن تزریق شود، کاربرد خیلی آن چنانی در BCI ندارد.

 برش­نگاری با نشر پوزیترون که معمولأ عکسبرداری PET و یا اسکن PET نیز نامیده می­شود؛ یک نوع از تصویربرداری در پزشکی هسته­ای است. پزشکی هسته­ای شاخه­ای از تصویربرداری پزشکی است که با استفاده از مقدار کمی از مواد رادیو اکتیو شدت بسیاری از بیماری­ها همچون انواع سرطان، بیماری­های قلبی، گوارشی، غدد، اختلالات عصبی و دیگر ناهنجاری­های درون بدن را تعیین و یا درمان آن­ها را تشخیص می­دهد. از آنجا که روش­های پزشکی هسته­ای قادرند فعالیت­های مولکولی درون بدن را نیز شناسایی کنند. بنابراین این روش پتانسیل شناسایی بیماری در مراحل اولیه آن و به دنبال آن واکنش فوری بیمار برای انجام مداخلات درمانی را دارد. روش­های تصویربرداری در پزشکی هسته­ای، به استثناء مورد تزریق درون رگ؛ غیرتهاجمی و معمولأ جزء آزمایشات بدون دردی هستند که به پزشکان در راستای تشخیص بیماری و ارزیابی وضعیت پزشکی بیمار کمک می­کند. این نوع از تصویربرداری از مواد رادیواکتیوی به نام رادیودارو یا رادیوتریسر استفاده می­کنند.

دستگاه برش­نگاری با نشر پوزیترون (PET) از مقدار کمی رادیواکتیو به نام رادیودارو استفاده می­کند. رادیودارو یک دوربین و یا یک کامپیوتر مخصوص است که به ارزیابی عملکرد اندام­ها و بافت­های بدن کمک می­کند. معمولا PET  برای شناسایی تغییرات بدن در سطح مولکولی زودتر از سایر آزمایشات تصویربرداری شروع بیماری را تشخیص می­دهد.

در صورت حامله بودن و یا شیردهی به دکتر خود اعلام کنید. ضمن اینکه دکترتان بر اساس نوع آزمایشی که قرار است انجام دهید؛ در مورد بیماری­هایی که اخیر مبتلا شده­اید، وضعیت پزشکی­تان، داروهای مورد استفاده و آلرژی و یا حساسیت­ها بویژه به مواد کنتراست؛ سوالاتی خواهد پرسید. همچنین به شما گفته می­­شود که چند ساعت قبل از اسکن، هیچ­گونه غذایی مصرف نکرده و فقط مجازید که آب بنوشید. جواهرات خود را در خانه بیرون آورده و لباسی راحت و گشاد تن کنید. حتی ممکن است از شما خواسته شود که لباس مخصوص (گان) بپوشید.

دستگاه برش­نگاری با نشر پوزیترون (PET) یا دستگاه توموگرافی کامپیوتری (سی­تی اسکن) (CT) چیست؟

دستگاه برش­نگاری با نشر پوزیترون که معمولأ عکسبرداری PET و یا اسکن PET نیز نامیده می­شود؛ یک نوع از تصویربرداری در پزشکی هسته­ای است. پزشکی هسته­ای شاخه­ای از تصویربرداری پزشکی است که با استفاده از مقدار کمی از مواد رادیو اکتیو شدت بسیاری از بیماری­ها همچون انواع سرطان، بیماری­های قلبی، گوارشی، غدد، اختلالات عصبی و دیگر ناهنجاری­های درون بدن را تعیین و یا درمان آن­ها را تشخیص می­دهد. از آنجا که روش­های پزشکی هسته­ای قادرند فعالیت­های مولکولی درون بدن را نیز شناسایی کنند. بنابراین این روش پتانسیل شناسایی بیماری در مراحل اولیه آن و به دنبال آن واکنش فوری بیمار برای انجام مداخلات درمانی را دارد.

روش­های تصویربرداری در پزشکی هسته­ای، به استثناء مورد تزریق درون رگ؛ غیرتهاجمی و معمولأ جزء آزمایشات بدون دردی هستند که به پزشکان در راستای تشخیص بیماری و ارزیابی وضعیت پزشکی بیمار کمک می­کند. این نوع از تصویربرداری از مواد رادیواکتیوی به نام رادیودارو یا رادیوتریسر استفاده می­کنند.

با توجه به نوع آزمایش در پزشکی هسته­ای، رادیو دارو یا در بدن تزریق یا بلعیده و یا به­عنوان یک گاز استشمام می­شود و در نهایت نیز اندام و یا قسمتی از بدن که این مواد در آنجا انباشته شده؛ مورد آزمایش قرار می­گیرد. انتشار رادیو اکتیو از رادیو دارو، به­وسیله یک دوربین یا یک وسیله تصویربرداری مخصوص که تصاویر و اطلاعات را در سطح مولکولی ارائه می­دهد؛ شناسایی می­شود. در بسیاری از مراکز برای تولید نماهای ویژه، قابلیت و کیفیت تصاویر گرفته شده با پزشکی هسته­ای را با استفاده از توموگرافی کامپیوتری (CT) و یا تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) می­افزایند. همچنین این متد این امکان را فراهم می­کند که اطلاعات دو آزمایش مختلف در یک تصویر، تفسیر و مرتبط شوند. این فرایند کسب اطلاعات دقیق­تر و تشخیص صحیح­تری را نتیجه خواهد داد. علاوه بر این، در حال حاضر تولیدکنندگان در حال ساخت توموگرافی رایانه­ای تک فوتونی یا توموگرافی کامپیوتری (SPECT/CT) و توموگرافی تابش پوزیترون یا توموگرافی کامپیوتری (PET/CT) هستند. این دستگاه­ها قادرند آزمایشات تصویربرداری را به طور همزمان انجام دهند. در حال حاضر PET  یا MRI، تکنولوژی­های تصویربرداری نوظهوری هستند که دسترسی به آن­ راحت نیست.

تصویربرداری PET ، قادر است عملکردهای مهم بدن از جمله جریان خون، میزان استفاده از اکسیژن و میزان سوخت­وساز قند (گلوکز) بدن را بسنجد.