✖


Jump to content

Функциональная ультразвуковая визуализация

Основные области применения и особенности функциональной ультразвуковой визуализации (ФУЗ)

Функциональная ультразвуковая визуализация ( ФУЗ ) — это метод медицинской ультразвуковой визуализации, позволяющий обнаружить или измерить изменения в нервной деятельности или метаболизме, например, в очагах активности мозга, обычно посредством измерения кровотока или гемодинамических изменений. Этот метод можно рассматривать как расширение допплеровской визуализации.

Фон

[ редактировать ]
Основные разрешения метода функциональной визуализации мозга

Активацию мозга можно измерить либо напрямую путем визуализации электрической активности нейронов с использованием чувствительных к напряжению красителей, визуализации кальция, электроэнцефалографии или магнитоэнцефалографии , либо косвенно путем обнаружения гемодинамических изменений в кровотоке в нервно-сосудистых системах с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), позитронной эмиссии. томография (ПЭТ), функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) или допплерография )... [1]

Оптические методы обычно обеспечивают высочайшее пространственное и временное разрешение; однако из-за рассеяния они по сути ограничиваются исследованием коры. Таким образом, их часто используют на моделях животных после частичного удаления или утончения черепа, чтобы свет мог проникнуть в ткани. фМРТ и ПЭТ, которые измеряют сигнал, зависящий от уровня кислорода в крови (жирный шрифт), были единственными методами, способными детально визуализировать активацию мозга. ЖИРНЫЙ сигнал усиливается, когда активация нейронов превышает потребление кислорода, при этом кровоток значительно увеличивается. Фактически, глубокая визуализация церебральных гемодинамических реакций с помощью фМРТ, будучи неинвазивной, проложила путь к крупным открытиям в нейробиологии на ранней стадии и применима к людям. Однако фМРТ также имеет ограничения. Во-первых, стоимость и размер машин MR могут быть непомерно высокими. Кроме того, фМРТ с пространственным разрешением достигается за счет существенного снижения временного разрешения и/или отношения сигнал/шум. В результате визуализация преходящих явлений, таких как эпилепсия, становится особенно сложной. Наконец, фМРТ подходит не для всех клинических применений. Например, фМРТ редко проводят младенцам из-за специфических проблем, связанных с детской седацией. [2]

Как и фМРТ, функциональный ультразвуковой подход на основе допплера основан на нейроваскулярной связи и, таким образом, ограничен пространственно-временными особенностями нейроваскулярной связи, поскольку они измеряют изменения объема церебральной крови (CBV). CBV является подходящим параметром для функциональной визуализации, который уже используется в других методах, таких как внутренняя оптическая визуализация или фМРТ, взвешенная по CBV. Пространственно-временная степень ответа CBV была тщательно изучена. Пространственное разрешение сенсорно-вызванной реакции CBV может достигать кортикального столба (~ 100 мкм). Во временном отношении функция импульсного отклика CBV обычно начиналась примерно через 0,3 с и достигала максимума примерно через 1 с в ответ на ультракороткие стимулы (300 мкс), что намного медленнее, чем основная электрическая активность. [3]

Традиционные подходы, основанные на допплерографии

[ редактировать ]

Гемодинамические изменения в головном мозге часто используются в качестве суррогатного индикатора активности нейронов для картирования локусов мозговой активности. Основная часть гемодинамического ответа происходит в мелких сосудах; однако обычное допплеровское ультразвуковое исследование недостаточно чувствительно для обнаружения кровотока в таких мелких сосудах. [2]

Функциональный транскраниальный допплер (ФТКД)

[ редактировать ]

Ультразвуковую допплеровскую визуализацию можно использовать для получения основных функциональных измерений активности мозга с использованием кровотока. При функциональной транскраниальной допплерографии низкочастотный (1-3 МГц) датчик используется через окно височной кости в обычном режиме импульсной допплерографии для оценки кровотока в одном фокальном месте. Временной профиль скорости крови обычно получают в основных крупных артериях, таких как средняя мозговая артерия (СМА). Пиковая скорость сравнивается между состоянием покоя и выполнения задачи или между правой и левой сторонами при изучении латерализации. [4]

Энергетический допплер

[ редактировать ]

Энергетический допплер — это последовательность доплеровских изображений, которая измеряет ультразвуковую энергию, рассеянную назад от эритроцитов в каждом пикселе изображения. Он не дает информации о скорости крови, но пропорционален объему крови в пикселе. Однако традиционная энергетическая допплерография не обладает чувствительностью для обнаружения мелких артериол/венул и, следовательно, не может предоставить локальную нейрофункциональную информацию посредством нейроваскулярной связи. [2]

Сверхчувствительный допплер

[ редактировать ]

Функциональная ультразвуковая визуализация была впервые использована в ESPCI командой Микаэля [ fr ] Тантера [5] следующая работа по сверхбыстрой визуализации [6] и сверхбыстрый допплер. [7]

Принцип сверхчувствительного допплера

[ редактировать ]

Сверхчувствительный допплер опирается на сверхбыстрые сканеры изображений [6] способен получать изображения со скоростью тысячи кадров в секунду, тем самым повышая энергетическое доплеровское соотношение сигнал/шум без каких-либо контрастных веществ. Вместо построчного сбора данных, как в традиционных ультразвуковых устройствах, сверхбыстрый ультразвук использует преимущества последовательных передач наклонных плоских волн, которые впоследствии когерентно объединяются для формирования изображений с высокой частотой кадров. Когерентное составное формирование луча состоит из рекомбинации обратно рассеянных эхо-сигналов от разных источников освещения, достигаемых в поле акустического давления под разными углами (в отличие от акустической интенсивности для некогерентного случая). Все изображения последовательно добавляются для получения окончательного составного изображения. Это самое сложение производится без учета огибающей сигналов со сформированным лучом или какой-либо другой нелинейной процедуры для обеспечения когерентного сложения. В результате когерентное добавление нескольких эхо-волн приводит к подавлению противофазных сигналов, сужению функции рассеяния точки (PSF) и, таким образом, увеличению пространственного разрешения. Теоретическая модель демонстрирует, что выигрыш в чувствительности сверхчувствительного доплеровского метода обусловлен сочетанием высокого отношения сигнал/шум (SNR) изображений в оттенках серого, синтетического сложения обратно рассеянных эхо-сигналов и обширных выборок сигнала. усреднение благодаря высокому временному разрешению и сверхбыстрой частоте кадров. [2] Чувствительность была недавно улучшена за счет передачи нескольких плоских волн. [8] и усовершенствованные пространственно-временные фильтры помех для лучшего распознавания низкого кровотока и движения тканей. Исследователи ультразвука используют исследовательские платформы сверхбыстрой визуализации с параллельным сбором каналов и программированием пользовательских последовательностей для исследования сверхчувствительных модальностей допплера/фУЗ. Затем необходимо реализовать специальный высокопроизводительный код формирования луча графического процессора в реальном времени с высокой скоростью передачи данных (несколько ГБ в секунду) для выполнения визуализации с высокой частотой кадров. Сборы также обычно могут легко предоставить гигабайты данных в зависимости от продолжительности сбора.

Сверхчувствительный допплер имеет типичное пространственное разрешение 50–200 мкм в зависимости от используемой частоты ультразвука. [2] Он имеет временное разрешение в десятки миллисекунд, может отображать всю глубину мозга и обеспечивать 3D-ангиографию. [9]

функциональная ультразвуковая визуализация

[ редактировать ]

Такое усиление сигнала обеспечивает чувствительность, необходимую для картирования тонких изменений крови в мелких артериолах (до 1 мм/с), связанных с активностью нейронов. Применяя внешний стимул, такой как сенсорная, слуховая или визуальная стимуляция, можно построить карту активации мозга на основе сверхчувствительного допплеровского фильма.

ФУЗИ косвенно измеряет объем мозговой крови, что обеспечивает величину эффекта, близкую к 20%, и поэтому является гораздо более чувствительным, чем фМРТ, чей ответ BOLD 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. [10] и достаточно чувствителен, чтобы выполнить однократное обнаружение у бодрствующих приматов. [11] Также могут быть реализованы другие методы, подобные фМРТ, такие как функциональная связь.

Коммерческие сканеры со специализированным аппаратным и программным обеспечением [12] позволяют FUS быстро распространиться за пределы ультразвуковых исследовательских лабораторий на сообщество нейробиологов.

Функциональное ультразвуковое исследование 4D

[ редактировать ]

Некоторые исследователи провели 4D-функциональную ультразвуковую визуализацию активности всего мозга грызунов. В настоящее время предлагаются два различных технологических решения для получения данных 3D и 4D фУЗ, каждое из которых имеет свои преимущества и недостатки. [13] Первый — томографический подход, основанный на моторизованном перемещении линейных датчиков. Этот подход оказался успешным для нескольких приложений, таких как трехмерное ретинотопное картирование мозга грызунов. [14] [15] и 3D тонотопическое картирование слуховой системы хорьков. [10] Второй подход основан на технологии высокочастотных двумерных матричных преобразователей в сочетании с электронной системой с большим количеством каналов для быстрого получения трехмерных изображений. Чтобы уравновесить низкую чувствительность матричных элементов, они разработали трехмерную многоплосковолновую схему с трехмерным пространственно-временным кодированием передаваемых сигналов с использованием коэффициентов Адамара. Для каждой передачи сигналы обратного рассеяния, содержащие смешанные эхо-сигналы различных плоских волн, декодируются с использованием суммирования эхо-сигналов от последовательных приемов с соответствующими коэффициентами Адамара. Такое суммирование позволяет синтезировать эхо-сигналы из передачи виртуальной отдельной плоской волны с более высокой амплитудой. Наконец, они выполняют когерентное объединение луча декодированных эхо-сигналов для создания трехмерных ультразвуковых изображений и применяют пространственно-временной фильтр помех, отделяющий поток крови от движения тканей, для расчета энергетического доплеровского объема, который пропорционален объему мозговой крови. [16]

Приложения

[ редактировать ]

Доклинический

[ редактировать ]
Доклиническое применение фУЗ-визуализации

ФУЗ может помочь в мониторинге церебральной функции всего мозга, что важно для понимания того, как мозг работает в больших масштабах в нормальных или патологических условиях. Способность отображать объем 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 изменений объема крови, вызванных эпилепсией. [5] ФУЗ можно применять для хронических исследований на животных моделях через истонченный череп. [17] или меньшее черепное окно или непосредственно через череп у мышей.

Картирование мозговой активности

[ редактировать ]

Карты тонотопиков или ретинотопиков [18] может быть построен путем сопоставления реакции звуков, изменяющихся по частоте. [10] или движущиеся визуальные цели. [14] [18] [15]

Функциональная связность/состояние покоя

[ редактировать ]

Когда стимул не применяется, ФУЗ можно использовать для изучения функциональных связей в состоянии покоя. Метод был продемонстрирован на крысах. [19] и будят мышей [20] и может быть использован для фармакологических исследований при тестировании лекарственных средств. [21] Карты на основе исходных данных, независимый компонентный анализ режимов состояний покоя или матрица функциональной связи между интересующими областями на основе атласа могут быть построены с высоким разрешением.

ФУЗ-визуализация в бодрствовании

[ редактировать ]

Используя специальные сверхлегкие зонды, можно проводить эксперименты со свободным перемещением на крысах и мышах. [22] [23] Размер зондов и электромагнитная совместимость fUS означают, что его также можно легко использовать в установках с фиксацией на голове для мышей. [15] или в электрофизиологических камерах у приматов. [11]

Клинический

[ редактировать ]
Клиническая нейровизуализация с использованием ультразвука

Новорожденные

[ редактировать ]

Благодаря своей портативности фУЗ также используется в клиниках у бодрствующих новорожденных. [24] Функциональную ультразвуковую визуализацию можно применять для визуализации головного мозга новорожденных неинвазивным способом через родничковое окно. В этом случае обычно проводят УЗИ, а это значит, что текущие процедуры менять не придется. Высококачественные ангиографические изображения могут помочь в диагностике сосудистых заболеваний, таких как перинатальная ишемия или желудочковое кровоизлияние.

Взрослые/интраоперационно

[ редактировать ]

У взрослых этот метод можно использовать во время нейрохирургии, чтобы провести хирурга через сосудистую систему и контролировать функцию мозга пациента перед резекцией опухоли. [25] [26]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Петерсен CC (октябрь 2007 г.). «Функциональная организация бочкообразной коры» . Нейрон . 56 (2): 339–55. дои : 10.1016/j.neuron.2007.09.017 . ПМИД   17964250 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и Мейс Э., Монтальдо Г., Османски Б.Ф., Коэн И., Финк М., Тантер М. (март 2013 г.). «Функциональная ультразвуковая томография головного мозга: теория и основные принципы». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 60 (3): 492–506. дои : 10.1109/tuffc.2013.2592 . ПМИД   23475916 . S2CID   27482186 .
  3. ^ Деффье Т., Демен С., Перно М., Тантер М. (июнь 2018 г.). «Функциональная ультразвуковая нейровизуализация: обзор доклинического и клинического состояния». Современное мнение в нейробиологии . 50 : 128–135. дои : 10.1016/j.conb.2018.02.001 . ПМИД   29477979 .
  4. ^ Кнехт С., Деппе М., Эбнер А., Хеннингсен Х., Хубер Т., Йокейт Х. и др. (январь 1998 г.). «Неинвазивное определение латерализации языка с помощью функциональной транскраниальной допплерографии: сравнение с тестом Вада». Гладить . 29 (1): 82–6. дои : 10.1161/01.str.29.1.82 . ПМИД   9445333 .
  5. ^ Jump up to: а б Масе Э., Монтальдо Дж., Коэн И., Баулак М., Финк М., Тантер М. (июль 2011 г.). «Функциональное УЗИ головного мозга». Природные методы . 8 (8): 662–664. дои : 10.1038/nmeth.1641 . ПМИД   21725300 .
  6. ^ Jump up to: а б Тантер М., Финк М. (январь 2014 г.). «Сверхбыстрая визуализация в биомедицинском ультразвуке» . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 61 (1): 102–19. дои : 10.1109/TUFFC.2014.6689779 . ПМИД   24402899 .
  7. ^ Беркофф Дж., Монтальдо Г., Лупас Т., Савери Д., Мезьер Ф., Финк М. и др. (январь 2011 г.). «Сверхбыстрая комплексная допплерография: обеспечение полной характеристики кровотока». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 58 (1): 134–47. дои : 10.1109/TUFFC.2011.1780 . ПМИД   21244981 .
  8. ^ Тиран Э., Деффье Т., Коррейя М., Мареска Д., Османски Б.Ф., Сье Л.А. и др. (ноябрь 2015 г.). «Многоплоскостная волновая визуализация увеличивает соотношение сигнал/шум при сверхбыстрой ультразвуковой визуализации» . Физика в медицине и биологии . 60 (21): 8549–66. Бибкод : 2015PMB....60.8549T . дои : 10.1088/0031-9155/60/21/8549 . ПМИД   26487501 .
  9. ^ Демене С., Тиран Э., Сье Л.А., Бергель А., Генниссон Дж.Л., Перно М. и др. (февраль 2016 г.). «4D-микрососудистая визуализация на основе сверхбыстрой допплеровской томографии». НейроИмидж . 127 : 472–483. doi : 10.1016/j.neuroimage.2015.11.014 . ПМИД   26555279 .
  10. ^ Jump up to: а б с Бимбард С., Демен С., Жирар С., Радтке-Шуллер С., Шамма С., Тантер М. и др. (июнь 2018 г.). «Многомасштабное картирование слуховой иерархии с использованием функционального ультразвука высокого разрешения у бодрствующего хорька» . электронная жизнь . 7 . doi : 10.7554/eLife.35028 . ПМК   6039176 . ПМИД   29952750 .
  11. ^ Jump up to: а б Дизё А., Гесник М., Анин Х., Блейз К., Арсизе Ф., Пико С. и др. (март 2019 г.). «Функциональная ультразвуковая визуализация головного мозга выявляет распространение мозговой активности, связанной с выполнением задач, у приматов» . Природные коммуникации . 10 (1): 1400. Бибкод : 2019NatCo..10.1400D . дои : 10.1038/s41467-019-09349-w . ПМК   6438968 . ПМИД   30923310 .
  12. ^ «Системы доклинической визуализации Iconeus Functional Ultrasound (fUS) - Iconeus» . iconeus.com . 13 августа 2021 г. Проверено 15 июня 2024 г.
  13. ^ «Путь к 4D фУЗ» (PDF) . Иконей . Проверено 25 мая 2020 г.
  14. ^ Jump up to: а б Гесник М., Блейз К., Деффье Т., Генниссон Дж.Л., Сахель Дж.А., Финк М. и др. (апрель 2017 г.). «3D-функциональная ультразвуковая визуализация зрительной системы головного мозга грызунов» . НейроИмидж . 149 : 267–274. doi : 10.1016/j.neuroimage.2017.01.071 . ПМЦ   5387157 . ПМИД   28167348 .
  15. ^ Jump up to: а б с Масе Э, Монтальдо Г., Тренхольм С., Коуэн С., Бригналл А., Урбан А. и др. (декабрь 2018 г.). «Функциональная ультразвуковая визуализация всего мозга выявляет мозговые модули для зрительно-моторной интеграции» . Нейрон . 100 (5): 1241–1251.e7. дои : 10.1016/j.neuron.2018.11.031 . ПМК   6292977 . ПМИД   30521779 .
  16. ^ Рабут С., Коррейа М., Финель В., Пезет С., Перно М., Деффье Т. и др. (октябрь 2019 г.). «4D-функциональная ультразвуковая визуализация активности всего мозга у грызунов» . Природные методы . 16 (10): 994–997. дои : 10.1038/s41592-019-0572-y . ПМК   6774790 . ПМИД   31548704 .
  17. ^ Дрю П.Дж., Ши А.Ю., Дрисколл Дж.Д., Кнутсен П.М., Блиндер П., Давалос Д. и др. (декабрь 2010 г.). «Хронический оптический доступ через полированный и усиленный истонченный череп» . Природные методы . 7 (12): 981–4. дои : 10.1038/nmeth.1530 . ПМК   3204312 . ПМИД   20966916 .
  18. ^ Jump up to: а б Блейз К., Арсизе Ф., Гесник М., Анин Х., Феррари У., Деффье Т. и др. (июнь 2020 г.). «Функциональная ультразвуковая визуализация глубокой зрительной коры у бодрствующих приматов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (25): 14453–14463. Бибкод : 2020PNAS..11714453B . дои : 10.1073/pnas.1916787117 . ПМК   7321983 . ПМИД   32513717 .
  19. ^ Османски Б.Ф., Пезет С., Рикобараза А., Ленкей З., Тантер М. (октябрь 2014 г.). «Функциональная ультразвуковая визуализация внутренних связей в мозгу живой крысы с высоким пространственно-временным разрешением» . Природные коммуникации . 5 : 5023. Бибкод : 2014NatCo...5.5023O . дои : 10.1038/ncomms6023 . ПМК   4205893 . ПМИД   25277668 .
  20. ^ Ферье Дж., Тиран Э., Деффье Т., Тантер М., Ленкей З. (июнь 2020 г.). «Функциональная визуализация свидетельствует о дезактивации и отключении основного сетевого концентратора режима по умолчанию в мозге мыши, вызванного выполнением задачи» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (26): 15270–15280. Бибкод : 2020PNAS..11715270F . дои : 10.1073/pnas.1920475117 . ПМЦ   7334502 . ПМИД   32541017 .
  21. ^ Рабут С., Ферье Дж., Бертоло А., Османски Б., Муссе Х., Пезет С. и др. (ноябрь 2020 г.). «Pharmaco-fUS: Количественная оценка фармакологически индуцированных динамических изменений перфузии и связности мозга с помощью функциональной ультразвуковой визуализации у бодрствующих мышей». НейроИмидж . 222 : 117231. doi : 10.1016/j.neuroimage.2020.117231 . ПМИД   32795659 .
  22. ^ Сье Л.А., Бергель А., Тиран Э., Деффье Т., Перно М., Генниссон Дж.Л. и др. (сентябрь 2015 г.). «ЭЭГ и функциональное УЗИ у мобильных крыс» . Природные методы . 12 (9): 831–834. дои : 10.1038/nmeth.3506 . ПМЦ   4671306 . ПМИД   26237228 .
  23. ^ Тиран Э., Ферье Дж., Деффье Т., Генниссон Дж.Л., Пезет С., Ленкей З. и др. (август 2017 г.). «Транскраниальная функциональная ультразвуковая визуализация свободно движущихся бодрствующих мышей и анестезированных молодых крыс без контрастного вещества» . Ультразвук в медицине и биологии . 43 (8): 1679–1689. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2017.03.011 . ПМЦ   5754333 . ПМИД   28476311 .
  24. ^ Демене К., Майрес Дж., Барангер Дж., Тантер М., Бод О. (январь 2019 г.). «Сверхбыстрая допплерография для визуализации головного мозга новорожденных» . НейроИмидж . 185 : 851–856. doi : 10.1016/j.neuroimage.2018.04.016 . ПМИД   29649559 .
  25. ^ Имбо М., Шове Д., Генниссон Дж.Л., Капелле Л., Тантер М. (август 2017 г.). «Интраоперационная функциональная ультразвуковая визуализация мозговой деятельности человека» . Научные отчеты . 7 (1): 7304. Бибкод : 2017НатСР...7.7304И . дои : 10.1038/s41598-017-06474-8 . ПМЦ   5544759 . ПМИД   28779069 .
  26. ^ Солоуки С., Винсент А.Дж., Сатоер Д.Д., Мастик Ф., Смитс М., Дирвен К.М. и др. (2019). «Функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗ) во время операции на мозге в бодрствующем состоянии: клинический потенциал интраоперационного функционального и сосудистого картирования мозга» . Границы в неврологии . 13 : 1384. дои : 10.3389/fnins.2019.01384 . ПМК   6962116 . ПМИД   31998060 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Functional_ultrasound_imaging&oldid=1229508258"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a0d8131139121e0766f2ee4f684829cc__1718592360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a0/cc/a0d8131139121e0766f2ee4f684829cc.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Functional ultrasound imaging - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)