23. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal

Jag har skapat en innehållsförteckning samt börjar varje huvudrubrik på ny sida.
Rättaren frågade vad skillnaden mellan MRI och fMRI är, men detta förklaras i introduktionen.
I övrigt har jag rättat mindre stavfel samt mindre frågor som rättaren hade kommenterat.
fMRI - Functional Magnet Resonance Image
Uppgifts nr: 24
Sammanfattning
fMRI är en metod som undersöker metabolismen i hjärnan och används framförallt
inom forskning och diagnostisering av neurofysiologiska sjukdomar. Den mest
använda metoden inom fMRI är BOLD fMRI där hjärnan analyseras beroende på
dess metabolism i olika aktiva områden.
Innehållsförteckning
1. Introduktion
1
2. Teknisk och fysikslisk princip
2
2.1.
Bold fMRI
4
3. Signal- och bildinsamling
6
4. Bildrekonstruktion och presentation
7
5. Bildkvalitet
8
6. Slutsats
9
7. Källkritik
9
8. Referenser
10
1. Introduktion
fMRI är en teknologi som mäter hjärnaktivitet genom att upptäcka förändringar i
blodets syresättning, vilket förändras beroende på de aktiva neuronens metabolism.
[1] Principen bygger på att blodflödet ökar till en viss del av hjärnan när denna del är
aktiverad. För att framställa bilder av den biologiska vävnaden används starka
magnetfält (mellan 1.5 upp till 4 Tesla) som skapas av en MRI scanner. Funktionell
neuroavbildning används för att lokalisera olika mentala processer till olika delar av
hjärnan, genom att skapa en bild av vilka områden som ansvarar för vilka processer.
[2] Skillnaden mellan den mer vanliga MRI (magnet resonance imaging) och fMRI
(functional magnet resonance imaging) är att MRI mäter den anatomiska strukturen
och fMRI mäter den metaboliska funktionen. [3] Den teknik som lägger grunden för i
princip alla fMRI-mätningar använder sig av teknologi som kallas BOLD (blood
oxygen level dependent) för att upptäcka förändringar i neural aktivitet genom att
visualisera en förändring i blodflöde i hjärna och ryggmärg.
För att ge upphov till aktivitet i hjärnan samt för att mäta dessa förändringar i
blodflödet använder man sig vanligtvis av två olika metoder, block design och event
relaterad design. Inom block design metoden används block av aktivitet följt av block
av inaktivitet, och detta är den vanligaste mätmetoden inom fMRI. Inom event
relaterad design innehåller mätningssessionen olika typer av ”events”. [4]
Den teknik som är primär inom fMRI är BOLD-tekniken. [5] Principen bygger på att
blodflödet till en viss del av hjärnan ökar när denna del är aktiv.
1
2. Teknisk och fysikalisk princip
MRI scanner
För att kunna visualisera förändringarna i hjärnan används en MRI scanner. Denna
princip bygger på att man använder starka magnetfält för att inducera förändringar i
protonrörelser. De tre större komponenterna i en MRI scanner är ett statiskt
magnetiskt fält, radiofrekvensspolar samt gradientsspolar. Dessa tre komponenter
gör det möjligt att samla ihop bilder från hjärnan. Eftersom att magnetkameran
använder radiovågor och magnetfält för att samla in bilder, så är det ofarligt att
undersökas av en MRI, så länge det inte finns några magnetiska föremål i rummet.
[6]
Bild 1. Generering av statiskt magnetfält [7]
Statiskt magnetfält (M)
För att kunna skapa ett statiskt magnetfält för en MRI scanner behövs homogenitet
och ett starkt magnetfält skapas. Homogenitet behövs för att signalen inte ska bero
på var kroppen befinner sig i relation till magnetfältet, och mycket styrka (ström)
behövs för att kunna skapa detta magnetfält. Moderna MRI scanners använder sig av
supraledande elektromagneter som kyls så nära den absoluta nollpunkten som det är
möjligt för att minska resistansen i ledningarna och därmed skapa en längre
hållbarhet och lägre kostnad. Det statiska magnetfältet är på under hela processen.
Radiofrekevensspolar (R)
För att producera själva MR-signalen behövs elektromagnetiska sändar- och
mottagarspolar. Dessa genererar respektive sänder ut elektromagnetiska fält och
radiofrekvensfälten stängs av och sätts på under korta perioder under själva
bildinsamlingen, och är av under resterande tid. När kroppen placeras i ett magnetfält
uppstår ett stadie av jämvikt. När radiofrekvensspolarna sänder ut en frekvens så
kommer de att störa denna jämvikt. Denna störning resulterar i att atomkärnan
absorberar energi från den radiofrekventiska pulsen. När sedan pulsen upphör
återgår atomkärnan till sitt vilande tillstånd och ger ifrån sig den energi som den
absorberat. Denna energi detekteras av de radiofrekvensspolarna som i sin tur
definierar MR-signalen. Dessa två processer kallas excitation (när signalen sänds ut)
och reception (när signalen mottas). Den energi som kan tas emot och sändas beror
på avståndet mellan mätobjektet och själva spolarna.
2
Bild 2. Ytlig spole bestående av resistor, kondensator samt induktor samt volymspole
[8]
När det kommer till fMRI placeras generellt ytliga spolar runt huvudet för att få bästa
mätresultat, även volymspolar kan användas. Den snabba ur- och uppladdningen
mellan induktor och resistor genererar ett oscillerande magnetfält. Även i
volymspolen används samma LC-kretsar. Denna har en form av en cylinder för att få
en jämn distribution av energin inom området. Vid användning av den ytliga spolen
blir resultatet mer precist på den plats som mäts, dock så täcker volymspolen ett
större område. [9]
Gradientsspolar (I)
För att generera själva bilden i MRI-scanning behövs det gradientsspolar. Det de
tillför är att göra så att MR-signalen blir spatialt beroende, så att olika platser i
rymden bidrar olika mycket till den signalen som mäts över tiden. Gradientsspolarna
används endast under bildinsamlandet liksom radiofrekvensspolarna. [10]
Magnetkamera kan inte användas om patienten har metall som är magnetisk
inopererat i kroppen, t.ex. en pacemaker, eftersom att magnetfältet som skapas gör
att dessa blir obrukbara. Vid användning av modernare pacemakers är det möjligt att
göra en MR-undersökning, dock så måste riskerna avvägas noggrant först. [11]
3
2.1. BOLD fMRI
BOLD fMRI är den mest använda typen av fMRI, och tekniken bygger på att
blodflödet i hjärnan ändras beroende på vilka typer av aktiviteter som utförs. Detta
gör att det blir möjligt att mäta funktionella förändringar i hjärnaktiviteten.
Eftersom att hjärnan har få energilager så måste energi tillföras kontinuerligt av
blodflödet. Detta sker genom syresättning/genom blodomloppet som medför att syre
respektive glukos tillförs i cellerna för att slutligen kunna producera ATP. Hemoglobin
som transporterar syret har magnetiska egenskaper beroende på om det är bundet
till syre eller inte, och det är detta faktum som lägger grunden för BOLD-fMRI.
Konceptet bygger på att personen som undersöks genomför ett antal kognitiva
uppgifter när denne ligger i scannern, medan bilder samlas. [12]
Bild 3. Paramagnetiska egenskaper [13]
Hemoglobin som inte är bundet till syre har paramagnetiska egenskaper, vilket
innebär att de attraheras av ett externt magnetiskt fält och formar interna, inducerade
magnetiska fält i samma riktning som det applicerade magnetiska fältet. Syrsatt
hemoglobin har dimagnetiska egenskaper vilket innebär att det magnetfält som
induceras kommer att ha motsatt riktning som det applicerade magnetfältet. [14]
BOLD tekniken utnyttjar det faktum att hemoglobinet har olika magnetiska
egenskaper beroende på om det är bundet till syre eller inte och att denna förändring
i magnetism ger ett ökat utslag på signalen när en MRI utförs. [15]
4
Bild 4. Illustration av BOLD kontrast. Bild A visar en råttas hjärna när den har andats
rent syre och bild B visar en råttas hjärna när den har andats normal luft. Linjerna i
bild B visar områdena med syrefattigt hemoglobin.
Bild 5. Bild A visar magnetiska egenskaper beroende på om det är syrefattigt
hemoglobin eller syresatt hemoglobin. De bilderna med syresatt hemoglobin (A samt
B) blev inte förvrängda medan de med syrefattigt hemoglobin (C samt D) är något
förvrängda. [16]
När aktiviteten i hjärnan ökar inom ett område så kommer även blodflödet till detta
område att öka. Paradoxalt nog så ökar även koncentrationen av syresatt
hemoglobin till denna del, trots att syret förbrukas av cellerna. Detta sker eftersom att
syre transporteras passivt, vilket innebär att koncentrationen av oxihemoglobin
(syresatt hemoglobin) måste öka för att en transport ska ske. Syre förbrukas även
samtidigt av hjärncellerna, men koncentrationen oxihemoglobin är dominerande vilket
ger ett utslag på BOLD bilderna. [17]
Syrefattigt blod har ca 20 % mer magnetisk känslighet än syresatt blod, vilket ger
upphov till skillnaden på resultatet av bilderna ovan. När ett objekt med magnetisk
känslighet introduceras till ett magnetfält medför det i en nedgång av transversell
magnetisering. Det transversella magnetfältet är mycket viktigt i detta fall eftersom att
det är det som gör att MRI signalen kan upptäckas. En viktig komponent i detta är
även styrkan på magnetfältet, det krävs ett magnetfält på minst 1,5 Tesla för att
kontrasterna i bilden ska bli tillräcklig för att kunna analyseras. [18] Eftersom att det
krävs ett magnetfält på minst 1,5 Tesla för att kunna göra dessa undersökningar
innebär det även att varje undersökning är väldigt kostsam, dock kan kostnaderna
minskas om apparaterna kyls ordentligt så att resistansen och därmed
värmeutvecklingen minskar.
En MRI-maskin som genererar fMRI bilder har högre upplösning än en MRI maskin
och kostar mellan $500.000 upp till $3 miljoner att köpa in.
5
3. Signal- och bildinsamling
Signaler och bilder samlas in genom MRI-tekniken. Bilderna skapas genom att
gradientspolarna gör att MR-signalen blir spatialt beroende, så att olika platser i
rymden bidrar olika mycket till den signalen som mäts över tiden. Till skillnad från en
traditionell MRI scanning så är hjärnan fokus när det kommer till fMRI. Därför
används ytliga spolar och inte volymspolar när en fMRI-scanning görs.
När bilder samlas in med BOLD-tekniken hämtas bilder i intervall om 2-3 sekunder.
Undersökningen tar vanligtvis mellan 2-10 minuter. När bilderna samlas in jämförs
signalstyrkan i varje pixel med det förväntade svaret. Om den inkommande signalen
skiljer sig i styrka från det förväntade svaret testas denna för signifikans vilket gör att
det är möjligt att upptäcka små förändringar. I jämförelse med t.ex. PET (positron
emission tomography) som också mäter metaboliska processer i kroppen så har
fMRI överlägsen temporal upplösning. Fördelen med fMRI är även att det går att
mäta transienta (dvs. korta övergående) hemodynamiska svar. [19]
Eftersom att fMRI visar hjärnans metabolism i relation till arbetsuppgifter eller
liknande så används det bland annat till att diagnostiksera och undersöka patienter
som i tidig ålder drabbats av Alzheimers sjukdom. [20]
Det används även för att diagnostisera och undersöka patienter med bland annat
epilepsi, schizofreni samt dyslexi. [21]
6
4. Bildrekonstruktion och presentation
Den metod som används för att sedan analysera bilderna varierar beroende på vem
det är som utför undersökningen, och vad syftet med undersökningen är. Det finns en
mängd mjukvara tillgänglig för analys från olika laboratorier. [22 (samma som 19)]
Dock finns det några vanliga steg i en fMRI analys. Först ”förprocesseras” de data
som är erhållen, vilket innebär att eventuella rörelser korrigeras. Sedan är den
”allmänna” regeln att använda matematiska funktioner som representerar BOLD
svaren. Efter detta används parametriska eller icke-parametriska metoder för att göra
en statistisk slutledning. Detta innebär att data är normalfördelat eller ej.
7
5. Bildkvalitet
Bild 6. Insamlad bild från ytlig spole respektive volymspole [23]
Bilden ovan visar att volymspolen täcker ett större område, men att den ytliga spolen
som kan placeras vid området som ska undersökas ger en bättre bild av det område
som är intressant för undersökningen (se pil i bild A). Ju starkare magnetfält som
används, desto tydligare kommer bilden att bli. Dock så är det även en kostnadsfråga
eftersom att det kräver mycket energi för att uppnå önskat magnetfält.
8
6. Slutsats
fMRI är en relativt ny teknik som utvecklades från MRI, och BOLD fMRI som är den
vanligaste metoden av fMRI utvecklades under 80-talet. Trots att det är en kostsam
metod, både inköpsmässigt och driftmässigt så spelar denna teknik stor roll vad
gäller forskning och diagnostisering av neurofysiologiska sjukdomar. Vad gäller
bildkvalitet så spelar det stor roll hur starkt magnetfält som används vid
undersökningen, ju starkare desto bättre. Av naturliga skäl har även mjukvara och
datorer betydelse för upplösning av bilderna. Inom BOLD fMRI visas ett bättre
bildresultat ju mer syresatt luften är som patienten andas, dock så är förändringar i
neuroaktivtet ofta det primära.
7. Källkritik
Mestadel av informationen är tagen från en bok “Functional Magnet Resonance
Imaging” som är utgiven 2003 och är skriven av tre författare som arbetar vid ett
analyscenter för hjärnbilder i USA. Boken är genomgående refererad till olika studier
varvid källan anses vara trovärdig. De hemsidor som är refererande till är olika
vetenskapliga hemsidor samt vårdguiden. De vetenskapliga hemsidorna har oftast i
sin tur refererat vidare till sina källor, dock så kan information på internet alltid
ifrågasättas. I detta fall kunde informationen verifieras eller åtminstone samstämmas
sinsemellan vilket tyder på dess äkthet.
9
8. Referenslista
1. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 23
2. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 2
3. Difference Between, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
(http://www.differencebetween.net/technology/difference-between-mri-andfmri/)
4. Radiopedia, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://radiopaedia.org/articles/functional-mri
5. National Center For Biotechnology Information, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9803232
6. Vårdguiden, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.1177.se/Stockholm/Fakta-ochrad/Undersokningar/Magnetkameraundersokning/
7. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s.30
8. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 32
9. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 33
10. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 34
11. Vårdguiden, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.1177.se/Stockholm/Fakta-ochrad/Undersokningar/Magnetkameraundersokning/
12. Medscape, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.medscape.com/viewarticle/580765
13. Elec-trical, (2016). [Online]. Tillgänglig på: http://electrical.blogspot.se/2012/06/types-of-magnetism.html
14. Biotronic, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.biotronik.com/files/562D12492C306B57C1257A16003C090C/$FILE/P
atientbrochure_IPG_SV.pdf
15. Study design in fMRI- basic principles (2016). [Online] Tillgänglig på:
http://cogs.indiana.edu/~panlab/fmriDocs/studyDesign.pdf
16. National Center For Biotechnical Information, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9803232
17. Boundless, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
https://www.boundless.com/definition/paramagnetic/
18. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 161
19. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s. 160
20. http://cogs.indiana.edu/~panlab/fmriDocs/studyDesign.pdf
21. Medscape, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://www.medscape.com/viewarticle/580765
10
22. Brainblogger, (2016). [Online]. Tillgänglig på:
http://brainblogger.com/2008/04/03/functional-mri-emerging-uses-for-neurologicalillnesses-part-ii/
23. Huettel, S., Song, A., McCarty, G., (2004) Functioncal Magnetic Resonance
Imaging. Massachusetts: Publishers sunderland, s.33
11