Neuroimaging - Neuroimaging

Neuroimaging
Parasagittal MR av mänskligt huvud hos patient med godartad familjär makrocephali före hjärnskada (ANIMATERAD) .gif
Para-sagittal MR i huvudet hos en patient med godartad familjär makrocefali .
Ändamål indirekt (direkt) bildstruktur, funktion/farmakologi i nervsystemet

Neuroimaging eller hjärnavbildning är användningen av olika tekniker för att antingen direkt eller indirekt bild av strukturen , funktionen, eller farmakologi av nervsystemet . Det är en relativt ny disciplin inom medicin , neurovetenskap och psykologi . Läkare som är specialiserade på prestanda och tolkning av neuroimaging i klinisk miljö är neuroradiologer . Neuroimaging faller in i två stora kategorier:

Funktionell bildbehandling möjliggör exempelvis behandling av information från centra i hjärnan som kan visualiseras direkt. Sådan behandling gör att det inblandade området i hjärnan ökar ämnesomsättningen och "lyser upp" vid skanningen. En av de mer kontroversiella användningarna av neuroimaging har forskat om " tankeidentifiering " eller tankeläsning.

Historia

Funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) av ett huvud, från toppen till skallen

Det första kapitlet i historien om neuroimaging spårar tillbaka till den italienska neurovetenskapsmannen Angelo Mosso som uppfann "mänsklig cirkulationsbalans", som icke-invasivt kunde mäta omfördelning av blod under känslomässig och intellektuell aktivitet.

År 1918 introducerade den amerikanske neurokirurgen Walter Dandy tekniken för ventrikulografi. Röntgenbilder av kammarsystemet i hjärnan erhölls genom injektion av filtrerad luft direkt i en eller båda laterala ventriklar i hjärnan. Dandy observerade också att luft som införs i det subaraknoida utrymmet via lumbal spinal punktering kan komma in i cerebrala ventriklar och även visa cerebrospinalvätskefacken runt hjärnans bas och över dess yta. Denna teknik kallades pneumoencefalografi .

År 1927 introducerade Egas Moniz cerebral angiografi , där både normala och onormala blodkärl i och runt hjärnan kunde visualiseras med stor precision.

I början av 1970 -talet introducerade Allan McLeod Cormack och Godfrey Newbold Hounsfield datoriserad axiell tomografi (CAT- eller CT -skanning), och allt mer detaljerade anatomiska bilder av hjärnan blev tillgängliga för diagnostiska och forskningsändamål. Cormack och Hounsfield vann Nobelpriset för fysiologi eller medicin 1979 för sitt arbete. Strax efter introduktionen av CAT i början av 1980 -talet tillät utvecklingen av radioligander enstaka fotonemissionstomografi (SPECT) och positronemissionstomografi (PET) i hjärnan.

Mer eller mindre samtidigt utvecklades magnetisk resonansavbildning (MR- eller MR -skanning) av forskare, inklusive Peter Mansfield och Paul Lauterbur , som tilldelades Nobelpriset för fysiologi eller medicin 2003. I början av 1980 -talet introducerades MRI kliniskt och under 1980 -talet skedde en verklig explosion av tekniska förbättringar och diagnostiska MR -applikationer. Forskare lärde sig snart att de stora blodflödesförändringarna som mäts av PET också kan avbildas med rätt typ av MRT. Funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) föddes, och sedan 1990 -talet har fMRI kommit att dominera hjärnkartläggningsfältet på grund av dess låga invasivitet, brist på strålningsexponering och relativt bred tillgänglighet.

I början av 2000 -talet nådde området neuroimaging det stadium där begränsade praktiska tillämpningar av funktionell hjärnbildning har blivit genomförbara. Det huvudsakliga applikationsområdet är råa former av hjärna -datorgränssnitt .

Indikationer

Neuroimaging följer en neurologisk undersökning där en läkare har funnit anledning att djupare undersöka en patient som har eller kan ha en neurologisk störning .

Ett av de vanligaste neurologiska problemen som en person kan uppleva är enkel synkope . I fall av enkel synkope där patientens historia inte tyder på andra neurologiska symptom, inkluderar diagnosen en neurologisk undersökning men rutinmässig neurologisk avbildning indikeras inte eftersom sannolikheten för att hitta en orsak i centrala nervsystemet är extremt låg och patienten är osannolik att dra nytta av förfarandet.

Neuroimaging är inte indicerat för patienter med stabil huvudvärk som diagnostiseras som migrän. Studier indikerar att förekomst av migrän inte ökar patientens risk för intrakraniell sjukdom. En diagnos av migrän som konstaterar frånvaron av andra problem, såsom papillem , skulle inte indikera ett behov av neuroimaging. Vid en noggrann diagnos bör läkaren överväga om huvudvärken har en annan orsak än migrän och kan kräva neuroimaging.

En annan indikation för neuroimaging är CT-, MR- och PET- guidad stereotaktisk kirurgi eller radiokirurgi för behandling av intrakraniella tumörer, arteriovenösa missbildningar och andra kirurgiskt behandlingsbara tillstånd.

Hjärnavbildningstekniker

Beräknad axiell tomografi

Computed tomography (CT) eller Computed Axial Tomography (CAT) skanning använder en serie röntgenstrålar av huvudet taget från många olika riktningar. Vanligtvis används för att snabbt titta på hjärnskador , använder CT-skanning ett datorprogram som utför en numerisk integrerad beräkning (den inversa radontransformationen ) på den uppmätta röntgenserien för att uppskatta hur mycket av en röntgenstråle som absorberas i en liten volym av hjärnan. Vanligtvis presenteras informationen som tvärsnitt av hjärnan.

Diffus optisk avbildning

Diffus optisk bildbehandling (DOI) eller diffus optisk tomografi (DOT) är en medicinsk bildbehandling som använder nära infrarött ljus för att generera bilder av kroppen. Tekniken mäter den optiska absorptionen av hemoglobin och är beroende av att absorptionsspektrumet för hemoglobin varierar med dess syresättningsstatus. Hög densitet diffus optisk tomografi (HD-DOT) har jämförts direkt med fMRI med hjälp av respons på visuell stimulering hos ämnen som studerats med båda teknikerna, med lugnande liknande resultat. HD-DOT har också jämförts med fMRI när det gäller språkuppgifter och viloläge funktionell anslutning.

Händelserelaterad optisk signal

Händelserelaterad optisk signal (EROS) är en hjärnskanningsteknik som använder infrarött ljus genom optiska fibrer för att mäta förändringar i optiska egenskaper hos aktiva områden i hjärnbarken. Medan tekniker som diffus optisk avbildning (DOT) och nära-infraröd spektroskopi (NIRS) mäter optisk absorption av hemoglobin, och därmed är baserade på blodflöde, utnyttjar EROS spridningsegenskaperna hos själva nervcellerna och ger därmed en mycket mer direkt mått på cellulär aktivitet. EROS kan identifiera aktivitet i hjärnan inom millimeter (rumsligt) och inom millisekunder (tidsmässigt). Dess största nackdel är oförmågan att upptäcka aktivitet mer än några centimeter djup. EROS är en ny, relativt billig teknik som inte är invasiv för testpersonen. Det utvecklades vid University of Illinois i Urbana-Champaign där det nu används i Cognitive Neuroimaging Laboratory av Dr. Gabriele Gratton och Dr. Monica Fabiani.

Magnetisk resonansavbildning

Sagittal MR -skiva vid mittlinjen.

Magnetic resonance imaging (MRI) använder magnetfält och radiovågor för att producera högkvalitativa två- eller tredimensionella bilder av hjärnstrukturer utan användning av joniserande strålning (röntgen) eller radioaktiva spårämnen.

rekordet för den högsta rumsliga upplösningen för en hel intakt hjärna (postmortem) är 100 mikron, från Massachusetts General Hospital. Uppgifterna publicerades i NATURE den 30 oktober 2019.

Funktionell magnetisk resonansavbildning

Axial MR -skiva på nivån av de basala ganglierna , som visar fMRI BOLD -signalförändringar överlagda i röda (ökning) och blå (minskning) toner.

Funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) och arteriell spinnmärkning (ASL) förlitar sig på de paramagnetiska egenskaperna hos syresatt och deoxygenerat hemoglobin för att se bilder av förändrat blodflöde i hjärnan i samband med neural aktivitet. Detta gör att bilder kan genereras som återspeglar vilka hjärnstrukturer som aktiveras (och hur) under utförandet av olika uppgifter eller i viloläge. Enligt syresättningshypotesen kan förändringar i syreanvändning i regionalt cerebralt blodflöde under kognitiv eller beteendeaktivitet associeras med de regionala neuronerna som direkt relaterade till de kognitiva eller beteendeuppgifter som deltar.

De flesta fMRI -skannrar gör att motiv kan presenteras med olika visuella bilder, ljud och beröringsstimuleringar, och att utföra olika åtgärder som att trycka på en knapp eller flytta en joystick. Följaktligen kan fMRI användas för att avslöja hjärnstrukturer och processer associerade med uppfattning, tanke och handling. Upplösningen av fMRI är för närvarande cirka 2-3 millimeter, begränsad av den rumsliga spridningen av det hemodynamiska svaret på neural aktivitet. Det har till stor del ersatt PET för studier av hjärnaktiveringsmönster. PET behåller dock den betydande fördelen med att kunna identifiera specifika hjärnreceptorer (eller transportörer ) associerade med särskilda neurotransmittorer genom dess förmåga att avbilda radiomärkta receptor "ligander" (receptorligander är alla kemikalier som håller sig till receptorer).

Förutom forskning om friska ämnen används fMRI alltmer för medicinsk diagnos av sjukdom. Eftersom fMRI är utsökt känslig för syreanvändning i blodflödet, är den extremt känslig för tidiga förändringar i hjärnan till följd av ischemi (onormalt lågt blodflöde), till exempel de förändringar som följer efter stroke . Tidig diagnos av vissa slag av stroke är allt viktigare inom neurologi, eftersom ämnen som löser upp blodproppar kan användas under de första timmarna efter att vissa typer av stroke inträffat, men är farliga att använda efteråt. Hjärnförändringar som ses på fMRI kan hjälpa till att fatta beslutet att behandla med dessa medel. Med mellan 72% och 90% noggrannhet där chansen skulle uppnå 0,8% kan fMRI -teknikerna avgöra vilken av en uppsättning kända bilder som motivet tittar på.

Magnetoencefalografi

Magnetoencefalografi (MEG) är en avbildningsteknik som används för att mäta de magnetiska fälten som produceras av elektrisk aktivitet i hjärnan via extremt känsliga enheter som supraledande kvantinterferensanordningar (SQUID) eller avslappningsfria (SERF) magnetometrar. MEG erbjuder en mycket direkt mätning av neural elektrisk aktivitet (jämfört med fMRI till exempel) med mycket hög tidsupplösning men relativt låg rumsupplösning. Fördelen med att mäta magnetfält som produceras av neural aktivitet är att de sannolikt kommer att bli mindre förvrängda av omgivande vävnad (särskilt skalle och hårbotten) jämfört med de elektriska fälten som mäts med elektroencefalografi (EEG). Specifikt kan det visas att magnetfält som produceras av elektrisk aktivitet inte påverkas av den omgivande huvudvävnaden, när huvudet är modellerat som en uppsättning koncentriska sfäriska skal, var och en är en isotrop homogen ledare. Riktiga huvuden är icke-sfäriska och har i stort sett anisotropa konduktiviteter (särskilt vit substans och skalle). Medan skalle -anisotropi har en försumbar effekt på MEG (till skillnad från EEG), påverkar vit substansanisotropi starkt MEG -mätningar för radiella och djupa källor. Observera dock att skallen antogs vara enhetligt anisotrop i denna studie, vilket inte är sant för ett riktigt huvud: de absoluta och relativa tjocklekarna av diploë och tabellskikt varierar mellan och inom skallebenen. Detta gör det troligt att MEG också påverkas av skalle -anisotropin, men förmodligen inte i samma grad som EEG.

Det finns många användningsområden för MEG, inklusive att hjälpa kirurger att lokalisera en patologi, hjälpa forskare att bestämma funktionen hos olika delar av hjärnan, neurofeedback och andra.

Positronemissionstomografi

Positronemissionstomografi (PET) och hjärnpositronemissionstomografi , mäter utsläpp från radioaktivt märkta metaboliskt aktiva kemikalier som har injicerats i blodomloppet. Utsläppsdata datorbearbetas för att producera 2- eller 3-dimensionella bilder av kemikaliernas fördelning i hela hjärnan. De positron emitterande radioisotoper som används framställs genom en cyklotron , och kemikalier är märkta med dessa radioaktiva atomer. Den märkta föreningen, kallad radiospårare , injiceras i blodomloppet och tar sig så småningom till hjärnan. Sensorer i PET -skannern detekterar radioaktiviteten när föreningen ackumuleras i olika delar av hjärnan. En dator använder data som samlats in av sensorerna för att skapa mångfärgade 2- eller 3-dimensionella bilder som visar var föreningen verkar i hjärnan. Särskilt användbara är ett brett utbud av ligander som används för att kartlägga olika aspekter av neurotransmittoraktivitet, där den i särklass vanligaste PET -spåraren är en märkt form av glukos (se Fludeoxyglucose (18F) (FDG)).

Den största fördelen med PET-scanning är att olika föreningar kan visa blodflödet och syre och glukosmetabolism i vävnaderna i arbets hjärnan. Dessa mätningar återspeglar mängden hjärnaktivitet i de olika regionerna i hjärnan och gör det möjligt att lära sig mer om hur hjärnan fungerar. PET -skanningar var överlägsna alla andra metabola avbildningsmetoder när det gäller upplösning och fullföljningshastighet (så lite som 30 sekunder) när de först blev tillgängliga. Den förbättrade upplösningen möjliggjorde bättre studier om området i hjärnan som aktiveras av en viss uppgift. Den största nackdelen med PET -skanning är att eftersom radioaktiviteten försvinner snabbt, är den begränsad till att övervaka korta uppgifter. Innan fMRI -tekniken kom online var PET -skanning den föredragna metoden för funktionell (i motsats till strukturell) hjärnbildning, och den fortsätter att göra stora bidrag till neurovetenskap .

PET-skanning används också för diagnos av hjärnsjukdomar, framför allt eftersom hjärntumörer, stroke och neuronskadande sjukdomar som orsakar demens (t.ex. Alzheimers sjukdom) alla orsakar stora förändringar i hjärnmetabolismen, vilket i sin tur orsakar lätt upptäckbara förändringar i PET skannar. PET är förmodligen mest användbart i tidiga fall av vissa demenssjukdomar (med klassiska exempel är Alzheimers sjukdom och Picks sjukdom ) där den tidiga skadan är för diffus och gör för liten skillnad i hjärnvolym och bruttostruktur för att ändra CT- och standard MR -bilder tillräckligt för att kan på ett tillförlitligt sätt skilja det från det "normala" intervallet av kortikal atrofi som uppstår vid åldrande (hos många men inte alla) personer och som inte orsakar klinisk demens.

Beräknad tomografi med enfotonemission

Single-photon emission computed tomography (SPECT) liknar PET och användningar gammastrålning -emitting radioisotoper och en gamma-kamera för att spela in data som en dator användningar att konstruera två- eller tredimensionella bilder av aktiva hjärnregioner. SPECT förlitar sig på en injektion av radioaktivt spårämne, eller "SPECT -medel", som snabbt tas upp av hjärnan men inte distribuerar. Upptag av SPECT -medel är nästan 100% fullständigt inom 30 till 60 sekunder, vilket återspeglar cerebralt blodflöde (CBF) vid injektionstillfället. Dessa egenskaper hos SPECT gör den särskilt väl lämpad för epilepsiavbildning, vilket vanligtvis försvåras av problem med patientrörelser och varierande anfallstyper. SPECT ger en "ögonblicksbild" av cerebralt blodflöde eftersom skanningar kan erhållas efter att anfallet avslutats (så länge det radioaktiva spårämnet injicerades vid anfallet). En signifikant begränsning av SPECT är dess dåliga upplösning (cirka 1 cm) jämfört med MRI. Idag används SPECT -maskiner med dubbla detektorhuvuden ofta, även om Triple Detector Head -maskiner finns på marknaden. Tomografisk rekonstruktion , (används främst för funktionella "ögonblicksbilder" av hjärnan) kräver flera projektioner från detektorhuvuden som roterar runt människans skalle, så vissa forskare har utvecklat 6 och 11 Detector Head SPECT -maskiner för att minska bildtiden och ge högre upplösning.

Precis som PET kan SPECT också användas för att skilja olika typer av sjukdomsprocesser som ger demens, och det används alltmer för detta ändamål. Neuro-PET har en nackdel med att kräva användning av spårämnen med en halveringstid på högst 110 minuter, såsom FDG . Dessa måste tillverkas i en cyklotron och är dyra eller till och med otillgängliga om nödvändiga transporttider förlängs mer än några halveringstider. SPECT kan dock använda spårämnen med mycket längre halveringstider, såsom technetium-99m, och som ett resultat är det mycket mer allmänt tillgängligt.

Kranial ultraljud

Kranial ultraljud används vanligtvis bara till spädbarn, vars öppna fontaneller ger akustiska fönster som möjliggör ultraljudsavbildning av hjärnan. Fördelarna inkluderar frånvaron av joniserande strålning och möjligheten att skanna vid sängen, men bristen på mjukvävnadsdetaljer innebär att MR föredras för vissa förhållanden.

Funktionell ultraljudsavbildning

Funktionell ultraljudsavbildning (fUS) är en medicinsk ultraljudsteknik för att upptäcka eller mäta förändringar i neurala aktiviteter eller metabolism, till exempel lokaler för hjärnaktivitet, vanligtvis genom mätning av blodflöde eller hemodynamiska förändringar. Funktionell ultraljud är beroende av ultrakänslig doppler och ultrasnabb ultraljudsavbildning som möjliggör högkänslig blodflödesavbildning.

Kvantoptiskt pumpad magnetometer

I juni 2021 rapporterade forskare utvecklingen av den första modulära kvanthjärnskannern som använder magnetisk avbildning och kan bli en ny helhjärnskanning.

Fördelar och problem med neuroimaging -tekniker

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

fMRI klassificeras vanligtvis som en minimalt till måttlig risk på grund av dess icke-invasivitet jämfört med andra avbildningsmetoder. fMRI använder blodsyrenivåberoende (BOLD) -kontrast för att producera sin form av avbildning. BOLD-kontrast är en naturligt förekommande process i kroppen så fMRI är ofta att föredra framför avbildningsmetoder som kräver radioaktiva markörer för att producera liknande avbildning. En oro för användningen av fMRI är dess användning hos personer med medicinska implantat eller apparater och metallföremål i kroppen. Den magnetiska resonans (MR) som avges från utrustningen kan orsaka fel på medicinsk utrustning och locka till metallföremål i kroppen om den inte är korrekt undersökt. För närvarande klassificerar FDA medicinska implantat och enheter i tre kategorier, beroende på MR-kompatibilitet: MR-säker (säker i alla MR-miljöer), MR-osäker (osäker i alla MR-miljöer) och MR-villkorlig (MR-kompatibel i vissa miljöer, som kräver ytterligare information).

Datortomografi (CT) Scan

CT -skanningen introducerades på 1970 -talet och blev snabbt en av de mest använda metoderna för avbildning. En CT -skanning kan utföras på under en sekund och ge snabba resultat för kliniker, med dess användarvänlighet som leder till en ökning av CT -skanningar som utförs i USA från 3 miljoner 1980 till 62 miljoner 2007. Kliniker tar ofta flera skanningar , med 30% av individerna som genomgår minst 3 skanningar i en studie av användning av CT -skanning. CT-skanningar kan utsätta patienter för strålningsnivåer 100-500 gånger högre än traditionella röntgenstrålar, med högre strålningsdoser som ger bättre upplösning. Även om det är lätt att använda, ökar användningen av CT -skanning, särskilt hos asymptomatiska patienter, ett ämne som oroar eftersom patienter utsätts för betydligt höga strålningsnivåer.

Positronemissionstomografi (PET)

Vid PET -skanningar är bildbehandling inte beroende av inneboende biologiska processer, utan förlitar sig på en främmande substans som injiceras i blodomloppet som reser till hjärnan. Patienter injiceras med radioisotoper som metaboliseras i hjärnan och avger positroner för att producera en visualisering av hjärnaktivitet. Mängden strålning en patient utsätts för i en PET -skanning är relativt liten, jämförbar med mängden miljöstrålning som en individ utsätts för under ett år. PET-radioisotoper har begränsad exponeringstid i kroppen eftersom de vanligtvis har mycket korta halveringstider (~ 2 timmar) och förfaller snabbt. För närvarande är fMRI en föredragen metod för avbildning av hjärnaktivitet jämfört med PET, eftersom den inte involverar strålning, har en högre tidsupplösning än PET och är lättare tillgänglig i de flesta medicinska miljöer.

Magnetoencefalografi (MEG) och elektroencefalografi (EEG)

Den höga tidsupplösningen för MEG och EEG gör att dessa metoder kan mäta hjärnaktivitet ner till millisekunden. Både MEG och EEG kräver inte att patienten utsätts för strålning för att fungera. EEG -elektroder detekterar elektriska signaler som produceras av neuroner för att mäta hjärnaktivitet och MEG använder svängningar i magnetfältet som produceras av dessa elektriska strömmar för att mäta aktivitet. Ett hinder för den utbredda användningen av MEG beror på prissättning, eftersom MEG -system kan kosta miljoner dollar. EEG är en mycket mer allmänt använd metod för att uppnå sådan tidsupplösning eftersom EEG -system kostar mycket mindre än MEG -system. En nackdel med EEG och MEG är att båda metoderna har dålig rumslig upplösning jämfört med fMRI.

Kritik och varningar

Vissa forskare har kritiserat de hjärnbildsbaserade påståenden som gjorts i vetenskapliga tidskrifter och i den populära pressen, som upptäckten av "den del av hjärnan som är ansvarig" för funktioner som talanger, specifika minnen eller att generera känslor som kärlek. Många karttekniker har en relativt låg upplösning, inklusive hundratusentals neuroner i en enda voxel . Många funktioner involverar också flera delar av hjärnan, vilket innebär att denna typ av påståenden förmodligen är både verifierbara med den utrustning som används och generellt baseras på ett felaktigt antagande om hur hjärnans funktioner är uppdelade. Det kan vara så att de flesta hjärnfunktioner bara kommer att beskrivas korrekt efter att de har mätts med mycket mer finkorniga mätningar som inte tittar på stora områden utan istället på ett mycket stort antal små individuella hjärnkretsar. Många av dessa studier har också tekniska problem som liten urvalsstorlek eller dålig utrustningskalibrering vilket innebär att de inte kan återges - överväganden som ibland ignoreras för att skapa en sensationell tidskriftsartikel eller nyhetsrubrik. I vissa fall används hjärnkartläggningsteknikerna för kommersiella ändamål, lögndetektering eller medicinsk diagnos på sätt som inte har vetenskapligt validerats.

Se även

Referenser

externa länkar