CZ
EN
fMRI experiment a jeho specifika
Specifika MRI pro fMRI experiment
Princip fMRI experimentu
Funkční magnetická resonance je metoda, která využívá souvislostí mnoha jevů a efektů a není možné ji využít např. jako rentgen, kde výsledek získáme pouze pasivní účastí vyšetřované osoby. Potřebujeme odlišit a porovnávat stav mapované veličiny, tedy intenzitu BOLD signálu, u nějž neexistuje standardizovaná klidová hodnota. Pro každou osobu, každé vyšetření a dokonce i různou oblast mozku vyšetřované osoby existuje jiná klidová úroveň BOLD signálu. Pojem nečinnosti určité oblasti v mozku, určitého klidového stavu, je také velmi relativní. Proto je důležité zajistit rozdílnou úroveň BOLD signálu během činnosti, s níž související aktivaci sledujeme, a během určitého srovnávacího úseku. Činností může být pohyb prstů na rukou, čímž získáme mapu aktivačních center odpovídajících za tento pohyb. Klidem pak rozumíme určitou relaxaci (nečinnost, osoba se nepohybuje) nebo činnost, která neobsahuje sledovaný typ úkonu - stimulace mozkové oblasti. Dostáváme se tedy k tomu, že je třeba sestavit design prováděného experimentu, zajistit jeho souslednost s měřícím protokolem MR tomografu a především zajistit, aby byla s prováděným úkolem seznámena vyšetřovaná osoba.
Základní omezení designu vychází z faktu, že rozdíl signálu mezi odlišnými stimulačně navozenými nebo kognitivními stavy příliš malý. Pohybuje se v jednotkách procent (u 1,5 T tomografu bývá v rozmezí 0,5 až 3 %, výjimečně až 5 %). Výraznější signálové změny je pak možné zaznamenat v žílách odvádějících krev z mozku. Abychom dokázali odlišit experimentálně závislé změny signálu od šumu, potřebujeme zajistit velký počet vzorků, které zprůměrujeme. Pro každou část experimentu (určitá stimulace, srovnávací klidová úroveň atd.) tedy snímáme mozek vícekrát a různé experimentální stavy mezi sebou vzájemně a opakovaně prostřídáme. Mimo vlastního zvýraznění signálu a potlačení šumu tak zajistíme i určitou odolnost vůči driftu a dalším nízkofrekvenčním změnám signálu. Ukázku skutečně naměřeného průběhu můžeme vidět na následujícím obrázku. Naměřené body jsou znázorněny modře a spojeny tečkovaně, červeně je pak znázorněn modelový průběh odezvy dle znalosti průběhu experimentu.
Pru upřesnění se zde zmiňujeme o terminologii používané ve fMRI, jelikož může být v některých ohledech odlišná od MR terminologie užité v např. v radiologii. Jako sken označujeme jedno kompletní sejmutí mozku (či vybraného úseku). Důvod je ten, že ve fMRI je pro nás jeden sken jedním "vzorkem" dat z dlouhé časové série skenů. Pojmem repetiční čas (TR) je ve fMRI rozuměna akviziční perioda pro skeny, tedy čas od započetí snímání jednoho skenu po započetí snímání následujícího skenu. S časem TR může, ale také nemusí, být shodný čas označující periodu, v jaké přicházejí jednotlivé stimulační podněty. Tuto periodu označujeme nejčastěji jako ISI (interstimulus interval).
Nejmenší rozlišitelný bod v rovině (sejmutém řezu) označujeme jako pixel. Uvažujeme-li sken jako 3D obraz = 3Dmatici dat, pak jeden elemntární bod označujeme jako voxel. Experimentální design dělíme na dvě základní kategorie dle uspořádání stimulačních podnětů: Blokový design a event related design. Další typy designu vzniknou jejich kombinací, či jako specifické případy event related designu.
Blokový design
Blokový design je jednoduchý, robustní a výkonný, ale má určitá omezení z hlediska sestavení experimentální úlohy a problémy s interpretací vlivu různé délky BOLD odezvy (ta se totiž díky průměrování signálu promítne do síly aktivace). Uvažujeme-li lineární vlastnosti hemodynamické odezvy, pak tím, že řadíme stimulační podněty společně do bloků, získáme větší hladinu BOLD signálu oproti klidovému stavu, než bychom získali odpovědí na jediný krátký podnět. Připravujeme se ovšem o možnost detekovat tvar hemodynamické odezvy a taktéž o schopnost detekovat aktivaci určitých psychologických podnětů a komponent událostí vyskytujících se např. při jisté specifické posloupnosti stimulací a přechodech mezi stimulačními podněty. Blokový design je celkem snadno analyzovatelný, jelikož můžeme předpokládat jednoduchý a snadno modelovatelný průběh BOLD signálu.
Event-related design
Event-related design je vývojově mladší. Jedná se o design zaměřený na jednotlivé oddělené události, kdy se snažíme změřit odpověď na každou takovou událost. V nejjednodušší koncepci tedy stimulační událost trvá krátce (méně nebo rovno než délka jedné akvizice) a události jsou od sebe vzdáleny o několik akvizic, abychom mohli sledovat vývoj BOLD signálu v čase. Tvar hemodynamické odpovědi je pak možno získat průměrováním signálu po stimulačních podnětech daného typu události. Jelikož je změna BOLD signálu po krátkém stimulu menší než po bloku souvislé stimulace, musíme pro získání dostatečně výkonné detekce získat velké množství odpovědí. Pakliže dále chceme, aby odpovědi na po sobě jdoucí události nebyly kontaminovány dobíhající odpovědí předchozího stimulu, musíme dodržet určitou minimální vzdálenost. Ta činí přibližně 20 s pro úplné ustálení odpovědi, popř. cca 15 s pro ukončení kladné vlny hrf. Výsledkem těchto vlivů je dlouhý experiment s velkým množstvím nasnímaných dat, což se projeví větší výpočetní a časovou náročností zpracování. Také je třeba vytvářet sofistikovanější modely pro regresní analýzu. Právě z důvodu úspory délky experimentu a možností využití více typů stimulačních podnětů se u tohoto typu designu používá optimalizace, která se snaží o vhodné uspořádání událostí z různých hledisek. Nejčastěji chceme optimalizovat výkonnost statistiky, tedy schopnost snadno detekovat aktivaci, ale také se můžeme snažit o určitou psychologickou optimalizaci, např. aby byl subjekt do experimentu řádně "vtažen" či abychom získali potřebné reakční stavy pro studium jejich aktivací.
Okruhy experimentálních úkolů
Mimo dělení experimentů z hlediska jejich provedení (designu) je můžeme klasifikovat dle fyziologických mozkových funkcí na něž se zaměřují, či dle způsobů prezentace stimulačních podnětů.
V prvním případě se jedná zejména o členění do následujících oblastí:
- Senzomotorické funkce a jejich plasticita: Zaměřuje se na oblasti sloužící pro ovládání pohybových ústrojí a vnímání externích podnětů.
- Zrak a zraková percepce (vnímání)
- Vyšší kognitivní funkce: Zabývá se např. pozorností, řídícími funkcemi atd
- Emoce
- Paměť
- Jazyk a řečové funkce
Z hlediska prezentace a vnímání stimulačních podnětů je situace taková, že námi prezentovaný stimulační podnět může přímo aktivovat žádané mozkové funkce nebo prezentujeme pouze povely/instrukce dle nichž vyšetřovaný subjekt aktivně vykonává určitou činnost (např. provádí určitý pohyb, vymýšlí slova dle nějakých omezení, představuje si cestu známým prostředím atd.), popř. může předem dohodnuté typy činností vykonávat samovolně (s tím, že musíme mít nějakou zpětnou vazbu na časování a typ vykonávané činnosti). V prvních dvou případech má experimentátor plnou kontrolu nad časováním probíhajícího experimentu. Ve druhém případě nikoliv, což může být v některých specifických případech žádoucí.
Pro prezentaci stimulů či povelů experimentátorem se využívají následující způsoby:
- sluchem: povely nebo přímo stimulační podněty jsou prezentovány do sluchátek vyšetřované osoby. Z hlediska stimulace se může jednat např. o poslouchání slov, příběhů, hudby atd.
- zrakem: povely nebo přímo stimulační podněty jsou prezentovány vizuálně. Může k tomu složit např. projektor se soustavou zrcátek, který přivádí obraz až k očím vyšetřovaného jedince nebo speciálně upravené LCD displeje či brýle, umožňující použití v MR tomografu.
- dotekem: např. zkoumání reakce na změnu pociťované teploty nebo bolesti.
- čichem atd.
Důležitým bodem ve fMRI je zajištění toho, aby subjekt vykonával správně svůj úkol. U aktivního provádění úkolu máme jistou možnost monitorovat činnost, kterou subjekt vykonává a dle potřeb experiment zopakovat . U pasivního lze provést jen velmi omezené zjištění kvality provedení a to až po skončení vyšetření dotazem či určitým navazujícím psychologickým testem. Proto je nutné připravit design experimentu s ohledem na snadnou proveditelnost a opakovatelnost a zajistit motivaci vyšetřované osoby.
V neposlední řadě musíme zajistit souběh experimentu s akvizičním protokolem, abychom věděli ke které akvizici přísluší jednotlivé stimulační podněty a tedy i k nim patřící hemodynamické odpovědi.
Specifika MRI pro fMRI experiment
K tomu, abychom zachytili odpovídající hemodynamické odpovědi, musíme použít příslušné měřící techniky. V případě BOLD fMRI nám jde o zachycení změny poměru okysličené a neokysličené krve. Tedy potřebujeme měřící sekvence citlivé na změnu lokální nehomogenity magnetického pole - T2* vážené snímky. Nabízí se tedy využít sekvencí gradientní-echo. Dalším požadavkem je co nejrychlejší akvizice požadované oblasti. K tomu se nejčastěji používají EPI sekvence, s nimiž je možné na 1,5 T MR tomografu získat 32 transverzálních řezů s rozlišením vrstvy 64x64 během cca 3 s. S takovýmto nastavením pokryjeme téměř celý mozek a velikost voxelu se pohybuje kolem hodnoty 3x3x3 mm3, což je pro většinu fMRI experimentů vyhovující rozlišení. Požadujeme-li vyšší rozlišení, je nutné udělat kompromis s ostatními parametry, tedy např. se zvýší akviziční čas, sníží počet vrstev nebo zvýšeného rozlišení dosáhneme jen v rovině řezu a naopak zvýšíme tloušťku řezu. Výhoda většího objemu voxelu je v kvalitněji naměřeném signálu (větší poměr signál/šum). Naopak pro některé úkoly potřebujeme získat velmi rychlou akvizici skenů a tak např. snímáme jen vybranou část mozku nebo použijeme velmi hrubé rozlišení. Rychlá akvizice skenu trvá např. jen 1 s.
Nutno podotknout, že i při snaze o vyšší rozlišení nelze takové snímky použít k přesné anatomické lokalizaci. Proto se vždy snímají ještě strukturální snímky ve vysokém rozlišení (cca 1x1x1 mm3 a lepším), nejčastěji pomocí rychlých 3D T1 vážených sekvencí.
Neopomenutelnou součástí fMRI experimentů je množství pomůcek pro prezentaci podnětů a zaznamenávání odpovědí. Tyto nebývají standardní součástí lékařských MR tomografů a je nutné je buď vyrobit nebo zakoupit u specializovaných firem. Jedná se např. o možnost prezentace vizuálních podnětů, různá MR kompatibilní tlačítka, prezentační počítač a příslušný software, synchronizaci s MR tomografem atd. Taktéž množství nasnímaných dat bývá až několikanásobně vyšší než u běžných MR vyšetření a proto je třeba zajistit jejich přenos a archivaci a následné zpracování na výkonných počítačích.
počítadlo:
82704
nahoru
domů