Войти
Основные области применения и особенности функциональной ультразвуковой визуализации (ФУЗИ) Функциональная ультразвуковая визуализация (fUS) - это медицинский метод ультразвуковой визуализации для обнаружения или измерения изменений нервной активности или метаболизма, например, локусов активности мозга, обычно посредством измерения кровотока или гемодинамических изменений. Этот метод можно рассматривать как расширение доплеровской визуализации.
Разрешение основных методов функциональной визуализации головного мозга Активацию мозга можно непосредственно измерить путем визуализации электрической активности нейронов с помощью красителей, чувствительных к напряжению, визуализации кальция, электроэнцефалографии или магнитоэнцефалографии, или косвенно путем обнаружения гемодинамических изменений кровотока в нервно-сосудистых системах с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ), эмиссии позитронов. томография (ПЭТ), функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) или доплеровское ультразвуковое исследование )...
Оптические методы обычно обеспечивают наивысшее пространственное и временное разрешение; однако из-за рассеяния они по сути ограничены исследованием коры головного мозга. Таким образом, они часто используются на моделях животных после частичного удаления или истончения черепа, чтобы свет мог проникать в ткани. ФМРТ и ПЭТ, которые измеряют сигнал, зависящий от уровня кислорода в крови (жирный шрифт), были единственными методами, позволяющими визуализировать активацию мозга в глубину. ЖИРНЫЙ сигнал усиливается, когда активация нейронов превышает потребление кислорода, когда кровоток значительно увеличивается. Фактически, глубокая визуализация церебральных гемодинамических реакций с помощью фМРТ, будучи неинвазивной, проложила путь к крупным открытиям в неврологии на ранней стадии и применима к людям. Однако фМРТ также имеет ограничения. Во-первых, стоимость и размер аппаратов MR могут быть непомерно высокими. Кроме того, фМРТ с пространственным разрешением достигается за счет значительного падения временного разрешения и / или отношения сигнал / шум. В результате визуализация преходящих событий, таких как эпилепсия, является особенно сложной задачей. Наконец, фМРТ подходит не для всех клинических применений. Например, фМРТ редко проводится младенцам из-за специфических проблем, связанных с седацией младенцев.
Как и фМРТ, функциональный ультразвуковой подход на основе допплера основан на нейроваскулярном взаимодействии и, таким образом, ограничен пространственно-временными особенностями нервно-сосудистого взаимодействия, поскольку они измеряют изменения объема церебральной крови (CBV). CBV является подходящим параметром для функциональной визуализации, который уже используется другими методами, такими как внутренняя оптическая визуализация или фМРТ, взвешенная по CBV. Пространственно-временная степень ответа CBV была тщательно изучена. Пространственное разрешение сенсорно-вызванного ответа CBV может снижаться до кортикального столба (~ 100 мкм). Временно измерялась функция импульсного отклика CBV, которая обычно начинается при ~ 0,3 с и достигает пика ~ 1 с в ответ на ультракороткие стимулы (300 мкс), что намного медленнее, чем основная электрическая активность.
Гемодинамические изменения в головном мозге часто используются в качестве суррогатного индикатора нейрональной активности для картирования локусов мозговой активности. Основная часть гемодинамического ответа происходит в мелких сосудах; однако обычный допплеровский ультразвук недостаточно чувствителен для обнаружения кровотока в таких мелких сосудах.
Ультразвуковая допплеровская визуализация может использоваться для получения основных функциональных измерений активности мозга с использованием кровотока. В функциональной транскраниальной допплеровской сонографии низкочастотный (1-3 МГц) датчик используется через окно височной кости в обычном импульсном доплеровском режиме для оценки кровотока в одном очаге. Временной профиль скорости кровотока обычно определяется в основных крупных артериях, таких как средняя мозговая артерия (СМА). Пиковая скорость сравнивается между условиями покоя и задачи или между правой и левой сторонами при изучении латерализации.
Энергетический допплер - это последовательность Доплера, которая измеряет энергию ультразвука, отраженную обратно от эритроцитов в каждом пикселе изображения. Он не предоставляет информации о скорости кровотока, но пропорционален объему крови в пикселе. Однако обычная энергетическая допплеровская визуализация не обладает чувствительностью для обнаружения мелких артериол / венул и, таким образом, не может предоставить локальную нейрофункциональную информацию через нейроваскулярное соединение.
Функциональная ультразвуковая визуализация была впервые предложена в ESPCI командой Микаэля Тантера после работы над сверхбыстрой визуализацией и сверхбыстрым допплером.
Сверхчувствительный допплеровский режим основан на сверхбыстрых сканерах, способных получать изображения со скоростью тысячи кадров в секунду, что увеличивает SNR по мощности Доплера без использования каких-либо контрастных веществ. Вместо построчного сбора данных обычных ультразвуковых устройств сверхбыстрый ультразвук использует преимущества последовательной передачи наклонных плоских волн, которые затем когерентно объединяются для формирования изображений с высокой частотой кадров. Когерентное составное формирование луча состоит из рекомбинации обратно рассеянных эхо-сигналов от различных источников освещения, достигаемых в поле акустического давления под разными углами (в отличие от акустической интенсивности для некогерентного случая). Все изображения добавляются последовательно, чтобы получить окончательное составное изображение. Само это добавление производится без использования огибающей сигналов с формированием диаграммы направленности или какой-либо другой нелинейной процедуры для обеспечения когерентного сложения. В результате когерентное сложение нескольких эхо-волн приводит к подавлению сигналов, не совпадающих по фазе, сужению функции рассеяния точки (PSF) и, таким образом, к увеличению пространственного разрешения. Теоретическая модель демонстрирует, что повышение чувствительности сверхчувствительного доплеровского метода связано с сочетанием высокого отношения сигнал / шум (SNR) изображений в градациях серого, благодаря синтетическому объединению обратно рассеянных эхо-сигналов и обширных выборок сигналов. усреднение из-за высокого временного разрешения сверхбыстрой частоты кадров. Чувствительность была недавно дополнительно улучшена с использованием передачи нескольких плоских волн и усовершенствованных пространственно-временных фильтров помех для лучшего различения между низким кровотоком и движением тканей. Исследователи ультразвука использовали исследовательские платформы сверхбыстрой визуализации с параллельным сбором каналов и программированием пользовательских последовательностей для исследования сверхчувствительных допплеровских / фУЗ-модальностей. Затем необходимо реализовать специальный высокопроизводительный код формирования диаграммы направленности графического процессора в реальном времени с высокой скоростью передачи данных (несколько гигабайт в секунду) для выполнения визуализации с высокой частотой кадров. В зависимости от продолжительности сбора данные также могут легко предоставить гигабайты данных.
Сверхчувствительный допплер имеет типичное пространственное разрешение 50-200 мкм в зависимости от используемой частоты ультразвука. Он имеет временное разрешение в десятки миллисекунд, может отображать всю глубину мозга и обеспечивать трехмерную ангиографию.
Это усиление сигнала обеспечивает чувствительность, необходимую для картирования тонких изменений крови в мелких артериолах (до 1 мм / с), связанных с нейрональной активностью. Применяя внешний стимул, такой как сенсорная, слуховая или визуальная стимуляция, затем можно построить карту активации мозга из сверхчувствительного допплеровского фильма.
ФУЗИ косвенно измеряет объем церебральной крови, что обеспечивает величину эффекта, близкую к 20%, и, как таковое, является более чувствительным, чем фМРТ, чей ЖИРНЫЙ ответ обычно составляет всего пару процентов. Карты корреляции или статистические параметрические карты могут быть построены для выделения активированных областей. Было показано, что fUS имеет пространственное разрешение порядка 100 микрометров на частоте 15 МГц у хорьков и достаточно чувствителен для выполнения однократного пробного обнаружения у бодрствующих приматов. Также могут быть реализованы другие методы, подобные фМРТ, такие как функциональное соединение.
Коммерческие сканеры со специализированным аппаратным и программным обеспечением позволяют fUS быстро расширяться за пределы исследовательских лабораторий ультразвуковых исследований в сообщество нейробиологов.
Некоторые исследователи провели 4D функциональное ультразвуковое исследование активности всего мозга у грызунов. В настоящее время предлагаются два различных технологических решения для получения 3D и 4D данных fUS, каждое из которых имеет свои преимущества и недостатки. Первый - томографический подход, основанный на моторизованном перемещении линейных датчиков. Этот подход оказался успешным для нескольких приложений, таких как трехмерное ретинотопное картирование мозга грызунов и трехмерное тонотопическое картирование слуховой системы хорьков. Второй подход основан на технологии высокочастотного преобразователя с двумерной матрицей в сочетании с электронной системой с большим количеством каналов для быстрой трехмерной визуализации. Чтобы уравновесить изначально низкую чувствительность матричных элементов, они разработали трехмерную схему многоплоскостной волны с трехмерным пространственно-временным кодированием передаваемых сигналов с использованием коэффициентов Адамара. Для каждой передачи сигналы обратного рассеяния, содержащие смешанные эхо-сигналы от различных плоских волн, декодируются с использованием суммирования эхо-сигналов от последовательных приемов с соответствующими коэффициентами Адамара. Такое суммирование позволяет синтезировать эхо-сигналы от передачи виртуальной индивидуальной плоской волны с более высокой амплитудой. Наконец, они выполняют когерентное объединение декодированных эхо-сигналов для создания трехмерных ультразвуковых изображений и применяют пространственно-временной фильтр помех, отделяющий поток крови от движения ткани, для вычисления объема энергетического допплера, который пропорционален объему церебральной крови.
• Высокое SNR с большим размером эффектаgt; 15% относительного увеличения CBV по сравнению с ~ 1% в BOLD fMRI
• Высокое пространственное разрешение (100 микрометров при 15 МГц для доклинического использования),
• Совместимость с другими методами, обычно используемыми физиологами, в частности с электрофизиологическими записями или оптогенетикой.
• Может использоваться с бодрствующими животными, прикованными к голове или мобильными.
• Недорогой и более практичный (меньший по размеру аппарат, транспортабельный) по сравнению с фМРТ.
• Не требует калибровки и требует небольшого времени на настройку. Легко настроить.
• Возможность изучения подкорковых структур делает более перспективным углубленное отображение по сравнению с оптическими методами.
• Может использоваться через трансфонтанеллярное окно у новорожденных.
• Транскраниальный у мышей
• Возможность 3D-сканирования с использованием двигателей или 2D-матричного массива
• Невозможно получить изображение через череп (кроме мышей): можно решить с помощью методов утончения черепа, уже разработанных для хронической оптической визуализации, использования окна TPX или использования контрастных веществ для повышения эхогенности крови, что позволяет визуализировать через череп.
• Капиллярный кровоток составляет порядка 0,5 мм / с, который может быть отфильтрован HPF и, следовательно, не может быть обнаружен, хотя были предложены усовершенствованные фильтры пространственно-временных помех.
• Технология 2D-матричных матриц для 3D-визуализации FUS все еще находится в стадии исследования и имеет некоторые ограничения по чувствительности. 3D-сканирование с использованием двигателей обычно имеет более низкое временное разрешение, чем эквивалентное 2D-сканирование.
Функциональная ультразвуковая визуализация имеет широкий спектр применения в исследованиях и в клинической практике.
Доклинические применения визуализации fUS ФУЗИ может помочь в мониторинге церебральной функции всего мозга, что важно для понимания того, как мозг работает в больших масштабах в нормальных или патологических условиях. Возможность визуализации объема церебральной крови с высоким пространственно-временным разрешением и с высокой чувствительностью с помощью фУЗИ может представлять большой интерес для приложений, в которых фМРТ достигает своих пределов, таких как визуализация вызванных эпилепсией изменений объема крови. fUS может применяться для хронических исследований на моделях животных через утонченный череп или меньшее черепное окно или непосредственно через череп у мышей.
Карты тонотопов или ретинотопов могут быть построены путем картирования отклика на изменяющиеся по частоте звуки или движущиеся визуальные цели.
Когда стимул не применяется, fUS можно использовать для изучения функциональной связи в состоянии покоя. Этот метод был продемонстрирован на крысах и бодрствующих мышах и может быть использован для фармакологических исследований при тестировании лекарств. Карты на основе семян, независимый компонентный анализ режимов состояний покоя или матрица функциональной связи между интересующими областями на основе атласа могут быть построены с высоким разрешением.
Используя специальные сверхлегкие зонды, можно проводить эксперименты со свободным движением на крысах или мышах. Размер зондов и электромагнитная совместимость FUS означает, что его также можно легко использовать в установках с фиксированной головкой для мышей или в электрофизиологических камерах для приматов.
Клиническая нейровизуализация с использованием ультразвука Благодаря своей портативности, фУЗИ также использовался в клиниках для бодрствующих новорожденных. Функциональная ультразвуковая визуализация может применяться к неонатальной визуализации головного мозга неинвазивным способом через окно родничка. В этом случае обычно проводят УЗИ, а это значит, что текущие процедуры менять не нужно. Высококачественные ангиографические изображения могут помочь диагностировать сосудистые заболевания, такие как перинатальная ишемия или желудочковое кровотечение.
У взрослых этот метод может использоваться во время нейрохирургии, чтобы направлять хирурга через сосудистую сеть и контролировать функцию мозга пациента перед резекцией опухоли.
