Физические основы фМРТ

Диамагнетики и парамагнетики.

Некоторые ткани в ГМ являются одним, другие – другим. Диамегнетики намагничиваются навстречу направлению внешнего МП. И это вода, жир, оксигемоглобин. Парамагнетики намагничиваются в направлении внешнего МП. И это дезогсигемоглобин.

BOLD-контраст

Присутствие дезоксигемоглобина в капиллярах – причина возникновения различия магнитной восприимчивости между кровеносными сосудами и окружающими тканями. Это приводит к ускорению расфазировки спинов, т.е. к сокращению Т2* и снижению интенсивности сигнала на Т1/Т2*-взвешенных изображениях.

Получение изображений

Различия МРТ и фМРТ-картинок.

У МРТ разрешение высокое (1мм), у фМРТ – около 3мм, но может быть улучшено. По времени у фМРТ точность – до секундной, чаще с нормальным качеством не получится. Выходит лушче, чем ПЭТ, но хуже, чем ЭЭГ.

Как получаются картинки?

Один и тот же испытуемый делает контрольную и экспериментальную серии, которые отличаются только одной переменной. Вычитаем одну из другой (на самом деле, по сложным формулам, чтобы учесть форму BOLD-сигнала) и получаем усредненную разницу между этими двумя томограммами. Фильтруем шум и артефакты, накладываем на МРТ того же испытуемого, сделанное заранее, и получаем красивые цветные пятнышки – та-дааам!

Предъявление стимулов и регистрация в томографе.

Зрительные: через зеркало или окуляры. Все должно не летать в томографе. Можно даже движения глаз параллельно писать. Катушка на голове испытуемого не должна закрывать ему глаза. Все подобные системы делаются под конкретные томографы. Бывают бинокулярные системы, в которых в каждый глаз можно предъявлять разные изображения. От таких люди больше устают, и угол обзора у них меньше.

Слуховые: наушники. Всякие: и на голову, и в уши. Качество звука в них обычно не очень, но зато они не магнитятся.

Тактильные: есть разные приборы, которые могут, например, давить на палец или стимулировать лицо.

Обонятельная стимуляция: специальная маска и капельница

Вкусовая: специальная штука в рот ставится, а экспериментатор нажимает на кнопку и из капельницы подается нужный вкус.

Болевая и термостимуляция. Проблема в том, что все должно быть синхронизировано с томографом. Что тактильная, что болевая – это, как правило, самоделки, в продаже таких штук нет.

Регистрация ответа

Бывают всякие штуки, на которые испытуемый может нажимать. В них, естественно, не должно быть металла.

Физиологические каналы

Можно писать всю периферию и – при желании – даже ЭЭГ. Проблемы:

1. Артефакты от электродов

2. Артефакт от РЧ-импульса

3. Артефакт от сердца (из-за придавленных сосудов)

4. Артефакты от градиентов

5. Акустический шум

6. Градиенты могут вызывать активацию ПНС и мускулов

7. Нагрев датчиков (сердце, КГР и пр.) от РЧ-импульса

8. Петли на кабелях

9. Ограничения для режимов МРТ (из-за нагрева). Нельзя использовать режимы: спин-эхо, турбо SE, Spiral-EPI. Допустимо: GE-localizer, MP-RAGE, GE-EPI.

 

Достоинства и недостатки фМРТ

О хорошем:

· Хорошее пространственное разрешение (3-4мм)

· Временное разрешение лучше, чем в ПЭТ (секунды)

· Возможно усреднение проб, синхронизированных со стимуляцией

· Метод неинвазивен

· Относительно (по сравнению с ПЭТ) безвреден

О плохом:

· Высокая стоимость (по сравнению с ЭЭГ) и необходимость обслуживания прибора

· Высокая стоимость каждого исследования (по сравнению с ЭЭГ)

· Временное разрешение хуже, чем в ЭЭГ и МЭГ

· Непрямое измерение нейрональной активности (измеряется метаболизм)

· Нельзя вносить металлические и электронные предметы (металлические коронки, кардиостимуляторы и пр.)

Лекция 6, 11.10.2012

Эмиссионная томография

Это способ получения томографических изображений, основанный на использовании испускаемых гамма-лучей (принцип меченых атомов). Граница между гамма- и рентгеновским излучением не очень определена. Есть ПЭТ (позитронная) и ОФЭКТ (SPECT; однофотонная).

История

1911, Д. де Хевеши: концепция меченых атомов (Нобелевская премия по химии в 1943). Меченые атомы – радиоизотопы, которые используются для измерения скорости химических процессов и направления движения химических веществ в живых системах (клетках или тканях).

Первое исследование человека при помощи этого метода – исследование щитовидной железы. С 1900х было известно, что гормон щитовидной железы содержит много йода. В 1934м Э.Ферми получил коротко живущий (около 30 минут) изотоп йода 128, в 1937 Г.Сиборг получил йод 131, у которого был период полураспада уже 8 дней. В 1938-39 М.Солей и Д. Гамильтон провели первое физиологическое исследование с этим изотопом (стали вводить животным). 1942: использование йода 131 для лечения гиперфункции щитовидной железы и получения ее изображения. 1962: придумали, как получать цветные изображения щитовидной железы.

1950е-1970е: исследования сфокусированы на нормальной физиологии. Исследовались:

· Пищевые потребности в микроэлементах (радиоактивные железо, кальций, цинк и магний) и витаминах (например B12, меченный кобальтом).

· Состав организма (меченые натрий и калий)

· Меченые компоненты (альбумин для определения плазмы, эритроциты, жидкости

· Меченые белки (с помощью йода 131)

Появились доступные изотопы, удовлетворяющие требованиям:

1. Время полураспада радиоизотопа должно быть достаточно протяжённым (чтобы успеть пометить маркер и доставить его).

2. Энергия испускаемых гамма-лучей должна лежать в диапазоне, доступном для создающего изображения прибора.

3. Процесс распада и доля облучения должны быть безопасны для пациента.

1957: Г. Ангер разработал томосканер для создания изображений срезов с помощью механических сканирующих перемещений.

Первые исследования мозга – 1953.

Первый эмиссионный томограф: Кул и Эдвартс в 1964м. Он создавал изображения продольных и поперечных сечений мозга, позволяющих отличить опухоль от других тканей.

Физические основы

Атомное ядро и изотопы. В норме количество протонов равно количеству нейтронов. Если же нейтронов больше, то это уже изотоп.

Радиоактивный распад – спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. В 1896м А. Беккерель обнаружил явления спонтанной радиоактивности. На фотопластинке Беккереля, засвеченной излучением солей урана, видна тень металлического креста.

Гамма-излучение – самое проникающее. Его останавливает 10см свинца или 30см бетона. В магнитном поле альфа- и бета-излучение отклоняются (причем в разные стороны), а гамма – нет. Альфа-изулучения – это ядра гелия, бета-излучение – электроны или позитроны, гамма-излучение – это гамма-кванты или фотоны с высокой энергией.

Типы радиоактивного распада (потом надо выписать подряд все формулы распадов):

· Альфа-распад. 2 протона и 2 нейтрона в ядре гелия. Частица крупная, летит небыстро, легко останавливается. Когда сталкивается с другой частицей, выбивает оттуда гелий. В итоговом веществе становится на 2 протона и 4 чего-то меньше (радий превратился в родон, 88й элемент в 86й).

· Бета-распад – тип радиоактивного распада, изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). Когда электрон – получается бета-минус-распад, а когда позитрон – бета-плюс-распад.

Бета-минус: нейтрон -> протон + электрон +антинейтрино. Вещество становится на одну ячейку дальше в таблице менделеева.

Бета-плюс: протон -> нейтрон + позитрон + нейтрино. На одну клетку в другую сторону.

Что такое позитрон, кстати? Это античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1 и массу, равную массе электрона. В 1928 существование позитрона предположил П.Дирак. В 1929 Д.В.Скобелицын обнаружил частицы с массой, равной электрону, которые в камере Вильсона отклонялись в противоположную сторону. В 1932м К.Андерсон открыл позитрон.

Каждый позитрон после свободного пробега (1-10мм) взаимодействует с электроном и происходит процесс аннигиляции. При аннигиляции выделяются 2 гамма-кванта, которые разлетаются строго под углом 180 градусов.

Гамма-излучение – вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны и, следовательно, ярко выраженными корпускулярными свойствами и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Гамма-лучи не отклоняются электрическими и магнитными полями. Выделяются они как при альфа-, так и при бета-распаде. Но нас в дальнейшем будет интересовать прежде всего бета-плюс распад для ПЭТ. Для ОФЭКТ все равно.

Период полураспада – это время, за которое половина ядер распадется. Вторая половина не обязательно распадется через такое же время.