موضوع مقاله: تصویربرداری فراصوت عملکردی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تصویربرداری فراصوت عملکردی | مقدمه: به عنوان مثال اندازه‌گیری فعالیت مغزی با استفاده از اندازه‌گیری جریان خون یا تغییرات همودینامیک در یک ناحیه از مغز. | ## بخش 1: تصویربرداری فراصوت عملکردی | مقدمه مغز از حدود 86 میلیارد نورون (یاخته های عصبی انگیزش پذیر) و تقریبا همان تعداد نوروگلی (یاخته های عصبی انگیزناپذیر) تشکیل شده است. همچنین هر کدام از این نورون­ها با بعضی از نورون­ های دیگر از طریق ساختاری زیستی به نام سیناپس در ارتباط می­باشد. در مغز میلیاردها نورون باهم در ارتباط­ اند و پیام­ های الکتریکی را به یکدیگر منتقل می­کنند. هر دسته از نورون ­ها در مغز فعالیت خاصی را انجام می­دهند و می توان آنها را به صورت شبکه های عصبی جداگانه ای در نظر گرفت که هر کدام برای انجام فعالیتی مشخص در طول زمان فرگشت پیدا کرده اند. برای مثال یک دسته به درد و یک دسته به حرکات , یک دسته به حس بویای و همین طور یک دسته به بینایی و... اختصاص داده شده اند البته باید خاطرنشان کرد که ساختار مغز خیلی پیچیده تر از این­ها می­باشد. هنگامی که یک سلول عصبی به نحوی مناسب برانگیخته شود، پتانسیل الکتریکی غشا سلول در اثر تغییر غلظت یون ها در دو طرف آن دچار تغییر ولتاژ می شود. فرایند انتقال پیام های عصبی را می توان تا حدودی به بازی دومینو شبیه دانست، در واقع تحریک عصبی یک نورون می تواند باعث تحریک عصبی نورون های متصل به آکسون های خود شود و این روند نیز می تواند در نورون بعدی تکرار شود. روش های مبتنی بر نور به طور کلی بالاترین وضوح و رزولوشن مکانی و زمانی را ارائه می دهند ؛ با این حال ، به دلیل پراکندگی، دارای عمق نفوذ کم می باشد که باعث می شود استفاده از آنها محدود به بررسی قشر مغز بشود. همچنین میدان دید این نوع تصویر برداری کوچک می باشد و مناسب برای مطالعه رفتار تک نورون ها یا یک دسته از نورون ها می باشد.بنا به دلایل ذکر شده، از این روش بیشتر در مدل های حیوانی پس از حذف یا نازک کردن قسمت جزئی از جمجه (به منظور نفوذ بهتر نور در بافت) استفاده می شوند. هنگامی که فعالیت عصبی افزایش می یابد و در نتیجه چون مصرف اکسیژن بیشتر میشود ، سیگنال های BOLD افزایش میابند و بصورت عملکردی ما درمیابیم که در کجا جریان خون به طور قابل توجهی افزایش یافته است . در واقع ، تصویربرداری عمیق از پاسخ های همودینامیکی مغزی توسط fMRI ، به دلیل غیرتهاجمی بودن، راه را برای اکتشافات مهم علوم اعصاب در مراحل اولیه هموار کرده و برای انسان قابل اجرا می باشد. در ابتدا ، هزینه زیاد و بزرگ بودن اندازه ماشین آلات MR می تواند مانع بزرگی باشد. همچنین، fMRI با این اینکه SNR خوبی دارد ولی رزولوشن زمانی بزرگی دارد و این مسئله مانعی در تصویربرداری از حوادث گذرا مانند صرع با fMRI است. مثلا، حساسیت fMRI به حرکات جسم مورد تصویر برداری باعث می شود، استفاده از آن برای تصویربرداری از نوزادان که معمولا با حرکات کودک همراه است، به ندرت انجام می شود. تا کنون میزان پاسخ مکانی-زمانی CBV به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است و اطلاعات بسیاری در این رابطه در دسترس می باشد. رزولوشن مکانی پاسخ برانگیخته حسی CBV میتواند تا حدود 100 میکرومتر در جهت ستون های قشری مغز (از نظر اندازه) کوچک باشد. | ## بخش 2: تصویربرداری فراصوت عملکردی | در پاسخ به محرک های فوق کوتاه (300μs) ، عملکرد پاسخ ضربه CBV به طور معمول از 0.3 ثانیه بعد شروع شده و در حدود t=1s ماکزیمم می شود، که بسیار کندتر از فعالیت های الکتریکی زیربنایی یاد شده است. تکنیک های قدیمی تصویربرداری عملکردی برپایه اثر داپلر تغییرات همودینامیکی مغز اغلب به عنوان یک نشانگر جایگزین برای فعالیت عصبی استفاده می شود که مکان های فعالیت مغز را به نمایش میگذارد . در حالی که ، روش های قدیمی سونوگرافی داپلر معمولی حساسیت کافی برای تشخیص جریان خون در چنین رگ های کوچکی را ندارد. در داپلر فرا جمجمه ای کارکردی، با استفاده از یک مبدل فرکانس پایین (1-3 مگاهرتز) از طریق پنجره استخوان گیجگاهی با حالت داپلر پالس معمولی ، جریان خون را در یک مکان کانونی تخمین میزنند. با این روش میتوان پروفایل زمانی سرعت جریان خون در شریانهای بزرگ اصلی مانند شریان مغزی میانی (MCA) را بدست آورد. از مقایسه مقدار ماکزیمم سرعت جریان خون در شرایط فعالیت و استراحت بین دونیمکره مغز می توان به جانبی شدن یا همان عدم تقارن در مغز پی برد. این روش تصویر برداری اطلاعاتی در رابطه با سرعت جریان خون نمی دهد اما سیگنال به دست آمده متناسب با حجم خون در هر پیکسل است. با این وجود، روش های قدیمی داپلر توان دارای حساسیت لازم برای شناسایی سرخرگ ها یا سیاه رگ های کوچک نیستند و از این رو برای مطالعه فعالیت محلی نورون ها به واسطه همبستگی عصبی-عروقی، مناسب نمی باشد. درعوض حصول خط به خط تصویر همانند دستگاه های قدیمی فراصوت، در تکنولوژی فوق سریع فراصوت از امواج صفحه ای مورب شده متوالی استفاده می شود که بعدا با یکدیگر ترکیب همدوس میشوند تا تصویر نهایی را تشکیل دهند. رزولوشن مکانی خیلی خوبی را به ما عرضه میدارد و قادر به تصویر کشیدن آنژیو گرافی نیز می باشد.پیاده سازی این تکنیک نیاز به کارگیری پلتفرم تحقیقاتی فوق سریع پردازش تصویر در کنار کانال موازی اخذ دیتا می باشد و به دلیل بالا بودن حجم اطلاعات نیاز به برنامه نویسی GPU بلادرنگ و سریع می باشد. اخذ دیتا متناسب با طول دوره اندازه گیری می تواند به راحتی بیشتر از چند گیگابایت دیتا را فراهم کند. همچنین با استفاده از تحریک های حسی، شنوایی، بینایی و غیره و بررسی نواحی فعال شده در مغز در اثر تحریک های بکار رفته، می توان یک نقشه از فعالیت های مغزی و کارکرد نقاط مختلف مغز و همچنین میزان مشارکت هر ناحیه در فعالیت های مختلف را به دست آورد. تصویر برداری فراصوت کارکردی در واقع حجم خون مغزی (CBV) را اندازه گیری می کند و اندازه تأثیر آن در حدود 20 درصد می باشد.که خیلی حساس تر (از نظر آماری) نسبت به fMRI هست که در آن اندازه تاثیر BOLD از چند درصد تجاوز نمی کند. می توان نقشه هایی بر اساس میزان همبستگی و دیگر پارامترهای آماری به دست آید که در آن نواحی فعال شده، برجسته تر و مشخص تر شده اند. در تحقیقات صورت گرفته بروی راسوها، نشان داده شده است که تصویر برداری فراصوت کارکردی رزولوشن فضایی در حدود 100 میکرومتر در فرکانس 15Mhz دارد. به طور کلی از نظر تکنولوژی دو شیوه متفاوت برای اخذ تصاویر 3 بعدی و 4 بعدی fUS وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. روش اول تصویر برداری مقطع نگاری است که موفقیت آن برای تعدادی از کاربردها همانند تصویر برداری 3 بعدی رتینوتوپیک از مغز جوندگان و نقشه برداری 3 بعدی تنوتوپیک از سیستم شنوایی راسوها نشان داده شده است. | ## بخش 3: تصویربرداری فراصوت عملکردی | روش دوم بر مبنای ماتریسی 2 بعدی از مبدل های فرکانس بالا است که با تجهیرات الکترونیکی دارای تعداد بالای کانال کوپل شده است. تصویر برداری مقطعی فوتوآکوستیک از دستگاه لیزر استفاده میشود سپس گلبول های قرمز با دریافت انرژی گرم شده و مقداری از انرژی خود را به صورت فراصوت از دست میدهند که توسط پروب های اولتراسوند جذب و تصویر مقطع پس از محاسبات ریاضی حاصل به عمل می آید. مزایا و معایب مزایا سیگنال به نویز بالا و اندازه تأثیر برزگتر از 15 درصد رزولوشن فضایی بالا ( 100 میکرومتر در 15 مگاهرتز برای کاربرد های بالینی) سازگاری با دیگر روش های به کار رفته توسط فیزیولوژیست ها می تواند در حالت بیداری استفاده شود. همچنین زمان لازم برای راه اندازی آن کوتاه است ایجاد توانایی مطالعه نواحی زیر قشر مغز با عمق بیشتر در مقایسه با روش های اپتیکی قابلیت ایجاد تصاویر دو بعدی معایب نمی تواند از روی جمجمه (به جز موش) مورد استفاده قرار بگیرد. برای حل این مشکل میتوان از روش های نازک کردن جمجمه، پنجره TPX و یا مواد حاجبی که باعث افزایش پژواک زایی خون می شود استفاده کرد. جریان خون مویرگی در حدود 0.5mm/s می باشد که میتواند فیلتر شده و قابل تشخیص نباشد. تکنولوژی آرایه ماتریس 2 بعدی برای ایجاد تصاویر 3 بعدی در fUS هنوز در مراحل تحقیقاتی می باشد و دارای مشکلاتی در زمینه حساسیت می شود. همچنین روش مقطح نگاری نیز رزولوشن زمانی کمتری نسبت به روش آرایه ماتریس 2 بعدی دارد. همچنین در کارRungta et al هم از همین ماده ولی پولیش داده شده که علاوه بر امواج اولتراسوند امواج فرابنفش و نور مرئی را نیز عبور میدادند و تصویر برداری همراه با فوتو ژنتیک انجام میشده است. از نظر هوشیاری و آزادی حیوان در کار Sieu et al موش ها بصورت آزادانه قادر به حرکت بودند و تصویر برداری یک سال صورت گرفت لازم به ذکر است که در این کار از EEG هم استفاده شده و مثال خوبی برای ترکیب دو مدالیته می باشد. در کار دیگری Urban et al موش ها بصورت زنده در یک راهرو یا کریدور قرار گرفته بودند و تصویر برداری عملکردی با اولتراسوند از آن ها صورت میگرفته است. از نظر بررسی ارتباطات مغزی در کار Osmanski et al ارتباطات مغزی در موش هایی که در شیر مادرشان فاقد نوع خاصی از پروتئین بودند بررسی شد که این ارتباطات مغزی با استفاده از fUS به نتایج خوبی رسید. کارها و کاربرد های کلینیکی تصویربرداری عملکردی اولتراسوند اخیرا با استفاده از دو پروب اولتراسوند که از پنجره های گیجگاهی به داخل مغز نگاه کردند توانستند اطلاعاتی راجه به حجم خون در رگ های بزرگ مغز مثل MCA برداشت کنند از این کار برای بررسی کارکرد نیم کره ها در چپ دست ها استفاده شده ، کار های کلینیک دیگر میتوان به تصویر برداری از مغز نوزادان اشاره کرد. در عمل جراحی مغز با استفاده از اولتراسوند میتوان بصورت بی درنگ تصاویری از عمق مغز داشته باشیم . از این حالت برای کانون یابی حملات صرع قابل استفاده است و پس قابل لمس است که تصویر برداری اولتراسوند عملکردی به سمتی گام بر می­دارد که استفاده های کلینیکی آن جایگاه خوبی را در آینده خواهد پیدا کرد. جمع بندی تصویر برداری اولتراسوند عملکردی همان گونه که گفتیم رزولوشن زمانی مکانی خوبی را میتواند برای ما مقدور سازد و پرتابل بودن و قابلیت جابه جایی آن به ما کمک میکند که بتوانیم از دستگاه را به اتاق بیمار یا آزمایشگاه های حتی مرطوب یا محل نگهداری یک حیوان ببریم. از قابلیت های دیگر آن این است که میتوان با دستگاه های مدالیته دیگر مثل PET یا EEG همراه و ترکیب شود. | ## جمع‌بندی | از محدودیت های آن نیز میتوان این مسئله را نام برد که در صورتی که بخواهیم از درون استخوان جمجمه تصویر برداری کنیم بدون داشتن ماده حاجب با مشکلاتی همراه خواهیم بود.