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