JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

מחקר זה שילב דימות תהודה מגנטית - תמונות תיוג ספין עורקי כדי לגזור אטלס זרימת דם מוחית (CBF) עבור אזורים תפקודיים מוחיים. השוואת אטלסים טיפוסיים של איסכמיה מוחית בריאה וכרונית CBF חשפה הבדלים משמעותיים בהתפלגות CBF אזורית, המאפשרת הערכות מהירות ולא פולשניות של CBF תפקודי כדי לסייע באבחון והערכת טיפולים.

Abstract

מצבים מוחיים דורשים לעתים קרובות אבחון וניטור מדויקים, המחייבים טכניקות הדמיה מתקדמות. השיטות הנוכחיות עשויות שלא לזהות כראוי סימנים מוקדמים של נזק הפיך לרקמות, מה שמדגיש את הצורך בכלי אבחון חדשניים שיכולים לכמת שינויים בזרימת הדם במוח (CBF) עם ספציפיות ורגישות גבוהות. מחקר זה משלב תיוג תלת מימדי של ספין עורקי (3D-ASL) עם MRI מבני כדי לפתח אטלסים מקיפים של CBF המכסים את כל האזורים התפקודיים העיקריים במוח. מתודולוגיה חדשנית זו של דימות תהודה מגנטית - תיוג ספין עורקי (MRI-ASL) מספקת אמצעי מהיר ולא פולשני לכימות CBF ספציפי לאזור, ומציעה תצוגה מפורטת של רמות CBF באזורים פונקציונליים שונים. ההשוואה בין חולי איסכמיה מוחית כרונית (CCI) לבין נבדקים בריאים גילתה ירידה משמעותית ב- CBF בכל האזורים התפקודיים המוחיים באטלסים CBF שנבנו עבור הראשונים. גישה זו לא רק מאפשרת זיהוי יעיל של CCI על ידי ניתוח ירידות מקבילות ב- CBF באזורים קריטיים ביחס להתפלגויות בריאות, אלא גם מאפשרת מעקב אחר תגובות הטיפול והתקדמות השיקום באמצעות אטלסים אורכיים של CBF. אטלס CBF שפותח בטכניקת MRI-ASL מייצג התקדמות חדשה בתחום האבחון המוחי והטיפול בחולים. על ידי השוואת רמות CBF אזוריות לסטנדרטים נורמטיביים, שיטה זו משפרת את יכולות האבחון, ומאפשרת לרופאים לספק טיפול מותאם אישית לחולים עם מצבים מוחיים.

Introduction

בתחום הדימות המוחי, החיפוש אחר כלים מדויקים ולא פולשניים להערכת תפקוד מוחי ופתולוגיה נותר בעל חשיבות עליונה. בין אלה, זרימת הדם המוחית (CBF) עומדת כאינדיקטור חיוני, המשקף את הדרישות המטבוליות ואת המצב הבריאותי של רקמת המוח1. גישות מסורתיות כרוכות לעתים קרובות בהערכות אמפיריות, תוך הסתמכות רבה על מומחיותם של קלינאים כדי לפרש תמונות ולהבחין בשינויים פתולוגיים2. עם זאת, התקדמות בטכניקות דימות תהודה מגנטית (MRI), במיוחד תיוג ספין עורקי (ASL)3, מציעים דרך מבטיחה לכימות CBF בדיוק רב יותר ובאובייקטיביות רבה יותר 4,5.

מחקר זה מציג מתודולוגיה חלוצית המשלבת ASL תלת מימדי (3D-ASL) עם MRI מבני לבניית אטלס CBF מקיף על פני אזורים תפקודיים מוחיים6. על ידי מינוף גישה חדשנית זו, קלינאים יכולים לא רק לקבל פרספקטיבה גלובלית של CBF אלא גם להתעמק בתחומים תפקודיים ספציפיים, המאפשרים הבנה דקדקנית של דפוסי זילוח מוחי 7,8. שיפור זה ברזולוציה הוא תוצאה ישירה של התקדמות טכנולוגית בציוד הדמיה ולא שימוש בווקסלים אינטרפולציה. ראוי לציין כי רוב מכשירי ה- MRI הנפוצים הזמינים כיום בשוק מציעים בדרך כלל דיוק הדמיה טוב יותר מ -1.5 מ"מ9. התקדמות זו בטכנולוגיית הדימות סללה את הדרך להערכות CBF מפורטות ומדויקות יותר. זה מייצג שינוי פרדיגמה מהדמיה קונבנציונלית, אשר לעתים קרובות חסרה את הרזולוציה כדי לזהות שינויים עדינים ב- CBF הקשורים לפתולוגיות בשלב מוקדם10.

ראשיתה של מתודולוגיה זו נעוצה בצורך להתמודד עם האתגרים האבחנתיים שמציבים מצבים מוחיים, כולל איסכמיה מוחית כרונית (CCI) והפרעות נוירולוגיות אחרות11,12. מצבים אלה מחייבים הערכות מדויקות ובזמן כדי להנחות התערבויות טיפוליות ביעילות13,14. על ידי השוואת אטלסים של CBF בין אנשים בריאים וחולים עם CCI, מחקר זה חושף הבדלים משמעותיים בהתפלגות CBF אזורית, ומציע תובנות לגבי פתולוגיה של מחלות ודרכי טיפול פוטנציאליות.

התועלת של גישת MRI-ASL זו משתרעת מעבר לאבחון, וכוללת הערכה טיפולית ומעקב אחר התקדמות המחלה15. אטלסים אורכיים של CBF טומנים בחובם הבטחה במעקב אחר תגובות הטיפול ותוצאות השיקום, ומספקים לקלינאים כלים שלא יסולא בפז לניהול מותאם אישית של מטופלים. יתר על כן, היכולת להבחין בשינויים עדינים ב- CBF עשויה לשמש סמן ביולוגי מוקדם להפרעות רקמות מתקרבות, ולאפשר התערבויות יזומות כדי להפחית את הנזק הנוירולוגי לפני שהוא הופך לבלתי הפיך16.

בעוד שמתודולוגיה זו מייצגת כלי מתקדם, מספר אפיקים לחידוד והרחבה ראויים להתייחסות. סטנדרטיזציה של פרוטוקולי סריקה, טכניקות נורמליזציה של CBF ובניית אטלסים בריאים של CBF מרובי נושאים הם צעדים חיוניים לשיפור דיוק האבחון והתועלת הקלינית. מאמצים משותפים על פני פתולוגיות מוחיות מגוונות חיוניים כדי לאמת ולשכלל גישה זו לאימוץ קליני נרחב.

מחקר זה מציג גישה חדשנית לפיה אטלסים CBF שמקורם ב- MRI מציעים לקלינאים תובנות עמוקות על תפקוד המוח והפתולוגיה. על ידי גישור על הפער בין קבוצת הדימות לבין הפרשנות הקלינית, למתודולוגיה זו יש פוטנציאל לחולל מהפכה באבחון ובניהול של מספר עצום של מצבים נוירולוגיים, ולהוביל לעתיד של רפואה מדויקת המותאמת לצרכים הייחודיים של כל מטופל.

Protocol

מחקר זה אושר על ידי מועצת הסקירה המוסדית של בית החולים דונגז'ימן בבייג'ינג, סין. נעשה שימוש בסורק MRI עם רצף ASL פועם (PASL) המבוסס על הד ספין שיפוע טורבו (TGSE) לתיוג ספין עורקי תלת-ממדי (3D-ASL) עם הפרמטרים הבאים: TR 4000 ms, TE 25 ms, משך בולוס 700 ms, זמן היפוך 1990 ms. כלי התוכנה המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. איסוף נתונים והכנתם

הערה: השונות בפרמטרים אינה מושפעת מגישת המחקר. הן פורמט DICOM והן פורמט NIFTI משמשים לאחסון נתוני הדמיה רפואית דיגיטלית, כאשר DICOM הוא הפלט הרגיל ממכשירי הדמיה קליניים. עם זאת, פורמט NIFTI מועדף לעתים קרובות לנוחות חישובית בפעילויות מחקר. המרה מ- DICOM ל- NIFTI היא פרקטיקה פשוטה ונפוצה17. במחקר זה, נתוני DICOM אותנטיים נרכשו והומרו לפורמט NIFTI. הנתונים נרכשו באמצעות סורק MRI של טסלה 1.5. בתהליך הרישום של תמונות צולבות של מחקר זה, רצף שחזור היפוך מוחלש בנוזל (FLAIR) שימש בעיקר והתמזג עם תמונות CBF. הכלי CBF Atlas (Table of Materials) המשמש במחקר זה הוא תוכנה מסחרית.

  1. העתק נתונים לספריית העבודה המיועדת.
    1. העתק את כל נתוני NIFTI לספריית עבודה מותאמת אישית.
      הערה: ספריית העבודה זהה במערכת ההפעלה וב- MATLAB. המחקר עוקב אחר תקן האוריינטציה Right Anterior Superior (RAS).
    2. עבור אל הספרייה המאחסנת את הנתונים בספריית העבודה הנוכחית של MATLAB, והשתמש בפונקציה niftiread כדי לטעון נתוני FLAIR לסביבת העבודה. השתמש בפונקציית הגודל כדי לבדוק את המידות של רצף FLAIR. קראו לפקודה Flair_Slice כדי להציג את רצף FLAIR (כפי שמוצג באיור 1). השתמש בפקודות הספציפיות באופן הבא:
      FLAIR_XLF = niftiread ('FLAIR_XFL.nii');
      מידות(FLAIR_XLF)
      Flair_Slice(FLAIR_XLF);
    3. עיין באיור 1 לקבלת תמונה של ממשק המשתמש הגרפי האינטראקטיבי (GUI) עבור רצף FLAIR. השתמש בפס הגלילה התחתון כדי לעיין במהירות ברצפים השונים.
  2. בדוק במהירות תמונות של CBF.
    1. השתמש בפונקציה niftiread כדי לטעון נתוני CBF לסביבת העבודה. השתמש בפונקציית הגודל כדי לבדוק את הממדים של רצף CBF. קראו לפקודת CBF_Slice כדי להציג את רצף CBF (כפי שמוצג באיור 2). השתמש בפקודות הספציפיות באופן הבא:
      CBF_XLF = niftiread('CBF_XFL.nii');
      מידות(CBF_XLF)
      CBF_Slice(CBF_XLF);
    2. עיין באיור 2 לקבלת צילום מסך אינטראקטיבי של ממשק המשתמש הגרפי של רצף CBF. השתמש בפס הגלילה התחתון כדי לעיין במהירות ברצפים השונים.
      הערה: באיור 2, טווח ערכי CBF הוא בדרך כלל 0-120 מ"ל/100 גרם/דקה. איור 2 משתמש במפת צבעים כדי לייצג רמות CBF שונות בצבעים שונים.

2. פילוח אזורים תפקודיים מוחיים מרצף FLAIR

הערה: רצף FLAIR משמש הן כהדמיה מבנית והן מספק יכולות אבחון פתולוגיות מצוינות. לכן, מיזוג FLAIR עם CBF הוא בעל ערך אבחוני חשוב במרפאות. מחקר זה מפלח אזורים תפקודיים מוחיים עיקריים מרצף FLAIR.

  1. בסביבת העבודה, התקשרו לפונקציה FLAIR_Segment והפעילו את תוכנית פילוח התמונה התלת-ממדית מבוססת U-Net שאומנה מראש כדי ליצור באופן אוטומטי תצוגות תלת-מישוריות של פילוח אזורים תפקודיים מוחיים, כפי שמוצג באיור 3. כל צבע באיור 3 מייצג אזור פונקציונלי נפרד.
  2. לבדיקה בזמן אמת של אזורים תפקודיים מוחיים שונים, השתמשו באינטראקציה על הכוונת (איור 3). לחץ וגרור את מרכז הכוונת לבדיקה תלת-ממדית שרירותית של האנטומיה המשוחזרת של המוח.
    הערה: ממשק המשתמש הגרפי באיור 3 מאפשר גם כוונון של טווח העוצמה, הניגודיות והבהירות של התצוגות התלת-מישוריות בגווני אפור.
  3. לחץ וגרור את לחצן העכבר השמאלי מעל אזור כלשהו בתמונות לשינוי בזמן אמת של רמות הבהירות והניגודיות. שחרר את לחצן העכבר כדי לאשר ולסיים את ההתאמות.

3. תצוגות תלת-מישוריות של התפלגות CBF על פני אזורים תפקודיים מוחיים

הערה: בחינת התפלגות CBF על פני אזורים תפקודיים מוחיים שונים מאפשרת שיפוט קליני מדויק של תנאי המטופל. במסגרת האזור התפקודי מאיור 3, שילוב ערכי CBF המדויקים מרצף CBF והצגתם בתצוגות תלת-מישוריות מאפשר בדיקה מקיפה של רופא.

  1. התקשר לפונקציה CBF_triplanar כדי ליצור את תצוגת ממשק המשתמש הגרפי התלת-מישורי המוצגת באיור 4, המציגה התפלגות מרחבית של CBF בין אזורים פונקציונליים. הזיזו את הכוונת כדי לאפשר בחינה של התפלגות CBF באזורי עניין.
  2. לחץ על לחצן תיאורי נתונים בפינה השמאלית העליונה של ממשק המשתמש הגרפי כדי להציג את ערכי CBF בכל מיקום.
  3. לחץ וגרור את לחצן העכבר השמאלי מעל אזור כלשהו בתמונות לשינוי בזמן אמת של רמות הבהירות והניגודיות. שחרר את לחצן העכבר כדי לאשר ולסיים את ההתאמות.

4. אטלס CBF על פני אזורים תפקודיים מוחיים עיקריים

הערה: נרמול התפלגות ההסתברות של CBF על פני אזורים פונקציונליים שונים יוצר את אטלס CBF של אזורים תפקודיים מוחיים, המבטא את רמות ה- CBF על פני אזורים תפקודיים מוחיים של הנבדק.

  1. קראו לפונקציית CBF_Atlas להמיר את ההתפלגות המרחבית CBF המוצגת באיור 4 לאטלס CBF (כפי שמוצג באיור 5).
    הערה: באיור 5, ציר ה-x מייצג אזורים תפקודיים מוחיים שונים, וציר ה-y מייצג רמות CBF שונות; הצבעים השונים מציינים רמות הסתברות שונות (ככל שהצבע אדום יותר, כך קיימים יותר ווקסלים).
  2. לחץ על לחצן התקרבות/הקטנה בפינה השמאלית העליונה של ממשק המשתמש הגרפי המוצג באיור 5 כדי לשנות גודל של תמונות חלקיות.
    הערה: העקומה באיור 5 מחברת את ממוצע ה-CBF בין אזורים.

5. הבדלים משמעותיים CBF_Atlas בין נבדקים בריאים לחולי CCI

הערה: באמצעות אותו תהליך המתואר בסעיפים 1-4, ניתן לקבל את ערכי CBF הממוצעים באזורים תפקודיים מוחיים שונים עבור חולי CCI.

  1. השתמשו בפונקציית CBF_Compare כדי ליצור תרשים השוואתי של עקומת CBF מנבדק בריא לעומת חולה CCI (איור 6).
  2. שימו לב להבדלים המשמעותיים בין עקומת CBF של המטופל (צבועה בשחור) לבין העקומה הבריאה (צבועה באדום) (איור 6). זהה את האזורים הפונקציונליים עם טיפות CBF בולטות יותר אצל המטופל. שילוב שלב 3.3, לבחון מחדש את האזורים שבהם הביצועים של המטופל היו גרועים יותר בהשוואה לאזורים האחרים.
    הערה: שלב 3.3 מאפשר צפייה ברמות CBF של המטופל במרחב תלת-ממדי, כלומר רופאים יכולים להשתמש בתצוגת ממשק המשתמש הגרפי התלת-מישורי המוצגת באיור 4 כדי לבחון את ה-CBF בכל עמדה של המטופל. כאן, מידת הירידה ב- CBF משתנה במקומות שונים עבור חולי CCI. רופאים יכולים לבקר שוב באיור 4 כדי להתמקד באזורים במוח עם ירידה משמעותית ב-CBF.
  3. השתמש בסמלים בפינה הימנית העליונה של ממשק המשתמש הגרפי (איור 5) כדי לגשת לפונקציות כגון התרחקות, התקרבות, חזרה לתצוגה הכללית וסימון הקואורדינטות של הפיקסל שנבחר.
    הערה: באמצעות אותו עיקרון, ניתן להשוות תוצאות לפני הטיפול ואחריו מאותו מטופל באמצעות הגישה שבאיור 6 כדי להעריך יעילות קלינית לאורך זמן.

תוצאות

מחקר זה משתמש בנתוני מטופלים אמיתיים שנרכשו באמצעות סורק MRI 1.5 T כדי לאמת את כימות זרימת הדם המוחית (CBF) ואת מתודולוגיית בניית האטלס. שלבי העיבוד המקדים כללו תמונות מבניות של FLAIR (איור 1), תמונות CBF (איור 2) ותמונות מאוחות תלת-מישוריות (איור 3

Discussion

שלבי המפתח (סעיפים 3 ו-4) מהווים את הבסיס לבניית אטלס CBF, המכמת את התפלגות CBF על פני אזורים תפקודיים מוחיים. שלב 4.2 מגדיר במפורש את רמות CBF עבור כל אזור במוח, חלוץ בטכניקה חדשה. זה לא רק מספק לרופאים מבט גלובלי על CBF של המטופל, אלא גם מדידות כמותיות של אזורים תפקודיים בודדים. שלב 5.1 מדגים כי אטלס CBF ?...

Disclosures

כלי התוכנה CBF Atlas V1.0 הוא תוצר של Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co., Ltd. זכויות הקניין הרוחני של כלי תוכנה זה שייכות לחברה. למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר.

Acknowledgements

מחקר זה קיבל תמיכה משמעותית וסיוע במידול ממחלקת המו"פ של Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd., בייג'ינג, סין.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
CBF AtlasIntelligent EntropyCBF Atlas V1.0Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.
Modeling for Thyroid Disease
MATLABMathWorks2023BComputing and visualization
MRI DeviceSiemensAmria 1.5 TMRI scanner

References

  1. Rodriguez, G., et al. Regional cerebral blood flow in chronic stroke patients. Stroke. 24 (1), 94-99 (1993).
  2. Kwok, C. H. R., et al. Cognition and cerebral blood flow after extracranial carotid revascularization for carotid atherosclerosis: A systematic review. Clin Ther. 45 (11), 1069-1076 (2023).
  3. Togao, O., et al. Arterial spin labeling-based MR angiography for cerebrovascular diseases: Principles and clinical applications. J Magn Reson Imaging. , (2023).
  4. Haidar, H., Majzoub, R. E., Hajeer, S., Abbas, L. A. Arterial spin labeling (ASL-MRI) versus fluorodeoxyglucose-PET (FDG-PET) in diagnosing dementia: a systematic review and meta-analysis. BMC Neurol. 23 (1), 385 (2023).
  5. Xu, Y., Tan, G., Chen, D., Liu, J., Zhou, Z., Liu, L. Arterial spin labeling perfusion MRI applications in drug-resistant epilepsy and epileptic emergency. Acta Epileptol. 5, 23 (2023).
  6. Xie, H., et al. Abnormalities of cerebral blood flow and the regional brain function in Parkinson's disease: a systematic review and multimodal neuroimaging meta-analysis. Front Neurol. 14, 1289934 (2023).
  7. Tenberg, A., et al. Dysautonomia and activity in the early stroke recovery period. Neurol Sci. 45 (6), 2505-2521 (2024).
  8. Joshi, D., Prasad, S., Saini, J., Ingalhalikar, M. Role of arterial spin labeling (ASL) images in Parkinson's disease (PD): A systematic review. Acad Radiol. 30 (8), 1695-1708 (2023).
  9. Mohamed, A. Z., Kwiatek, R., Fante, P. D., Calhoun, V. D., Lagopoulos, J., Shan, Z. Y. Functional MRI of the brainstem for assessing its autonomic functions: From imaging parameters and analysis to functional atlas. J Magn Reson Imaging. , (2024).
  10. Vanherle, L., Matuskova, H., Don-Doncow, N., Uhl, F. E., Meissner, A. Improving cerebrovascular function to increase neuronal recovery in neurodegeneration associated to cardiovascular disease. Front Cell Dev Biol. 8, 53 (2020).
  11. Fujimura, M., Tominaga, T. Significance of cerebral blood flow analysis in the acute stage after revascularization surgery for Moyamoya disease. Neurol Med Chir (Tokyo). 55 (10), 775-781 (2015).
  12. Østergaard, L., et al. The role of the microcirculation in delayed cerebral ischemia and chronic degenerative changes after subarachnoid hemorrhage. J Cereb Blood Flow Metab. 33 (12), 1825-1837 (2013).
  13. Mankoo, A., et al. The role of the autonomic nervous system in cerebral blood flow regulation in stroke: A review. Auton Neurosci. 246, 103082 (2023).
  14. Yang, X., Qiang, Q., Li, N., Feng, P., Wei, W., Hölscher, C. Neuroprotective mechanisms of glucagon-like peptide-1-based therapies in ischemic stroke: An update based on preclinical research. Front Neurol. 13, 844697 (2022).
  15. Ho, M. -. L. Arterial spin labeling: Clinical applications. J Neuroradiol. 45 (5), 276-289 (2018).
  16. Sforza, M., Bianchini, E., Alivernini, D., Salvetti, M., Pontieri, F. E., Sette, G. The impact of cerebral vasomotor reactivity on cerebrovascular diseases and cognitive impairment. J Neural Transm (Vienna). 129 (11), 1321-1330 (2022).
  17. Elhadad, A., Jamjoom, M., Abulkasim, H. Reduction of NIFTI files storage and compression to facilitate telemedicine services based on quantization hiding of downsampling approach. Sci Rep. 14 (1), 5168 (2024).
  18. Gonzalez-Ortiz, F., Kac, P. R., Brum, W. S., Zetterberg, H., Blennow, K., Karikari, T. K. Plasma phospho-tau in Alzheimer's disease: towards diagnostic and therapeutic trial applications. Mol Neurodegener. 18 (1), 18 (2023).
  19. Magliozzi, R., et al. CSF parvalbumin levels reflect interneuron loss linked with cortical pathology in multiple sclerosis. Ann Clin Transl Neurol. 8 (5), 534-547 (2021).
  20. Kawano, H., et al. Aging and sex differences in brain volume and cerebral blood flow. Aging Dis. , (2023).
  21. Jia, R., Solé-Guardia, G., Kiliaan, A. J. Blood-brain barrier pathology in cerebral small vessel disease. Neural Regen Res. 19 (6), 1233-1240 (2023).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

MRI ASL3D ASLCBF

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved