Funkční magnetická rezonance

Atomové jádro se skládá z nukleonů (protonů a neutronů). Protony neustále rotují kolem své vlastní osy a tento pohyb je označován jako spin. Každá nabitá částice, která se pohybuje, vytváří ve svém okolí magnetické pole a vykazuje magnetický moment. Protony si lze tedy představit jako miniaturní magnety. Atomová jádra se sudým nukleonovým číslem se nechovají ke svému okolí magneticky, protože se jejich magnetické momenty ruší a nelze je využít pro MR zobrazování. Atomová jádra s lichým nukleonovým číslem si svůj magnetický moment zachovávají. Charakteristickým zástupcem této skupiny je atom vodíku ¹H, který má jeden proton a vykazuje relativně velký magnetický moment. V organismu je více než 60 % vody a ¹H je tedy nejvhodnějším objektem pro MR zobrazování. Dalšími zástupci jsou ¹³C, ¹⁹F,²³Na, ³¹P. Za normálních okolností je orientace rotačníchos protonů (jejich magnetických pólů) ve tkáních nahodilá, magnetické momentyjednotlivých jader se tedy navzájem ruší a tkáň se navenek jeví nemagneticky.Vložíme-li tkáň do silného magnetického pole, uspořádají se rotační osy protonůrovnoběžně se siločárami vnějšího magnetického pole. Větší počet z nich jev poloze, kdy jejich magnetický moment je orientován souhlasně (paralelně)s vektorem vnějšího magnetického pole a menší počet protonů je energetickynáročnější a proto je jich méně než polovina. Tato „nerovnováha“ způsobí, žetkáň vykazuje celkový magnetický moment a navenek se chová magneticky. Tato vlastnostje základním principem MR.

Jednotlivétkáně mají různou biochemickou strukturu, tedy různé zastoupení protonů anavenek se projevují různě velikými magnetickými momenty a dávají tak informacio svém složení. Protony umístěné v magnetickém poli konají kromě svéhopůvodního rotačního pohybu (spin) ještě pohyb precesní – po plášti rotačníhokužele. Frekvence precesního pohybu, tzv. Larmorova frekvence, závisí namagnetických vlastnostech daného jádra vyjádřených v tzv. gyromagnetickémpoměru a na intenzitě vnějšího magnetického pole.

PrincipNMR (nukleární magnetická rezonance) spočíváv tom, že je-li rotující jádro umístěno v konstantním magnetickém poli B0,dojde ke srovnání magnetických momentů (os rotace) s vnějším magnetickým polema osa jádra bude lehce rotovat kolem směru působícího pole B0. Tento pohybvzniká při každé změně působícího magnetického pole, dokud se jádro v danépoloze neustálí. Pokud vnější pole přestane působit, vrací se jádro do svépůvodní klidové polohy. Pokud se přidá druhé kolmo působící (transverzální)pole BT, začne jádro opět rotovat. Aby byla jádra udržena ve stálém pohybu,používá se vysokofrekvenční magnetické pole, které současně rotuje v rovině XY.Volbou velikosti prvního statického magnetického pole B0 a volby velikostipro transverzální magnetické pole BT se dá velice přesně určit, kterájádra budou v rezonanci. Rezonancí je magnetický moment m jádrapřeklopen o 90° do roviny XY a osa pak rotuje podle transverzálního pole. Pokudje transverzální pole odpojeno, rotuje jádro stále v rovině XY. Přiblíženímcívky do blízkosti rotujícího magnetického momentu se v ní indukuje napětí,které je následně měřeno. Zjednodušeně je velikost naměřeného napětízávislá na poloze a typu tkáně.

K funkčnímu mapování mozkové kůry pomocí MR je možno užít dvou principů. Jedná se buď o změnu perfuze a objemu krve v místěneuronální aktivity (perfuzní fMRI), anebo navíc o změnu poměru okysličené aneokysličené formy hemoglobinu v dané oblasti (BOLD fMRI).

Podstatoumetody je změna prokrvení a objemu krve v aktivní oblasti mozkové kůry(perfuzní fMRI) nebo změna mezi poměrem okysličené formy hemoglobinu (BOLDfMRI). Neokysličená forma hemoglobinu má paramagnetické vlastnosti a chová sejako přirozená MR kontrastní látka, která zkracuje relaxační čas T2. Aktivníoblast mozku, která spotřebovává více kyslíku, potom poskytuje silnější signálnež okolí. Při fMRI vyšetření se opakovaným skenováním získávají obrazy celéhoobjemu mozku v klidu i při aktivním řešení úkolů (reakce na podnět, pohybkončetin, tvorba slov, atd.) Změny mozkové aktivity jsou měřeny z rozdíludvojic obrazů podřízených v klidu a při mozkové činnosti.

Difuzní MRI zobrazuje změny signálu způsobené difuzí[1]molekul vody ve tkáních. Takové zobrazení je relativně nezávislé na relaxačníchčasech T1, T2 i na hustotě protonových jader (PD). Difuzní zobrazení seuplatňuje především při hodnocení patologických stavů mozku (stáří ischemického postižení mozku, traumatické změny mozku, posuzování buněčného složenímozkových nádorů nebo změny v důsledku Alzheimerovy choroby, autismu,schizofrenie, apod.).

Směr difuze může být zcela náhodný všemi směry (např.v mozkomíšním moku nebo šedé hmotě mozku) nebo omezený pouze na některésměry (např. v bílé hmotě mozku převládá difuze ve směru dlouhých vlákenaxonů), kdy je všesměrové difuzi bráněno bariérou např. buněčných stěn. Směrdifuze lze zjistit mnohonásobným skenováním zvolené vrstvy tkáněv několika směrech. Jednotlivé směry zobrazení se získávají změnouorientace magnetických gradientů. Každý směr gradientu potom zobrazuje jinýsměr difuze. V praxi se směr difuze vypočítává nejméně z 6 směrů, obvyklevšak z 12 až 256 směrů. Výsledkem difuzního zobrazení může být šedoškálovámapa velikosti difuze (metoda DWI – Diffusion Weighted Imaging) nebo barevnámapa mozku (metoda DTI – Diffusion Tensor Imaging), kdy jednotlivé barvy určujíjednotlivé směry difuze v dané oblasti. Ukázka DTI obrazu mozku je naobrázku 1.

[1] Difuze =přechod částic látky z míst vyšší koncentrací látky do míst s nižšíkoncentrací látky v důsledku tepelného pohybu. Difuze probíhá až dovyrovnání koncentrací látky v celém objemu.  

Základní omezení fMRI spočívá ve velmimalé změně intenzity signálu (T2*) spojené s hemodynamickou odpovědí.Navíc neexistuje standardizovaná klidová hodnota BOLD signálu (rozdíly jsoumezi jednotlivými osobami i jednotlivými oblastmi mozkové kůry), která bysloužila jako výchozí referenční úroveň. K tomu, abychom dokázali odlišitna experimentu závislé změny signálu od šumu, tedy zdaleka nepostačuje pouhésrovnání dvou snímků (klid versus aktivita) dané oblasti mozku.K dostatečné statistické robustnosti výsledků je nutno získat danýchsnímků hned několik desítek. Celý objem mozku (např. 32 řezů) tedy snímámeněkolikrát jak při aktivním provádění dané úlohy (např. vymýšlení slov, pohybkončetinou, reakce na určitý podnět), tak v klidu (resp. při prováděníkontrolní úlohy), a výsledky následně statisticky vyhodnocujeme. Každévyšetření je charakterizováno určitým časovým uspořádáním, kterému říkámedesign experimentu (měření). Existují dva základní typy designů – blokovýdesign a event-related design. Další typy designů pak vznikají jejich vzájemnoukombinací.

je jednodušší jak na vlastní měření, tak nanásledné statické zpracování. Při vyšetření dochází ke střídání dvou či vícebloků událostí (typicky aktivita versus klid). Během každého bloku změříme vždyněkolik funkčních skenů celého mozku, výsledná data pak statistickyporovnáváme. Řazením stimulačních podnětů do bloků získáme vyššíhladinu BOLD signálu v porovnání s odpovědí na jediný krátký podnět.Připravujeme se však o možnost detekovat tvar hemodynamické odezvy. Blokovýdesign je preferenčně využívám při snímání fMRI pro klinické účely. Již z principunelze tento typ designu využít při vyšetřování pozornosti či kognitivníchúlohách založených na spontánním provádění určité činnosti.

jedná se o design určený k detekci hemodynamické odezvy na jednotlivé události(či specifické posloupnosti událostí). V nejjednodušší koncepci trvá stimulačnípodnět krátce (ve srovnání s akvizičním časem celého objemu mozku, tj. 3–5sekundami). Stimulační podněty jsou pak od sebe vzdáleny několik akvizičníchčasů, což umožňuje detailní sledování průběhu BOLD signálu v čase.Výsledkem tohoto typu uspořádání designu je pak dlouhý experiment s velkým množstvímnasnímaných dat, což se projeví větší výpočetní a časovou náročnostízpracování. Pro zvýšení statistické výtěžnosti se může použít optimalizaceposloupnosti stimulačních podnětů, zejména pokud nejsou jednotlivé události odsebe dostatečně vzdáleny. Tento typ designu je využíván spíše v neurovědnímvýzkumu, v klinické praxi se s ním téměř nesetkáme.

Vlastní vyšetření vypadá na první pohled obdobně jakokonvenční vyšetření magnetickou rezonancí. V jedné fázi měření se sejmouanatomické snímky ve vysokém rozlišení (např. T1 vážené snímky, 512 x 512),které slouží jako matice pro zobrazení výsledných aktivačních map. Následujevlastní funkční vyšetření dle již zaběhlého designu s akvizicífunkčních skenů (např. gradient-echo EPI – sekvence dostatečně rychlá a citlivák nehomogenitám magnetického pole – T2* vážení). Stimulační podněty akomunikace s pacientem probíhají prostřednictvím sluchátek či vizuálně(projekce obrazu do gantry datovým projektorem či speciálním LCD zobrazovačem).

fMRI je vyšetření, při kterém je zpravidlanutný vysoký stupeň spolupráce pacientů. Správné provedení daného úkolu jenaprosto zásadním bodem v celém vyšetřovacím řetězci. U některýchkognitivních úloh (např. test slovní plynulosti) navíc nelze při snímání fMRIdat výkon pacienta přímo objektivizovat a ověřit tak, zda vykonával úlohusprávně. Akvizice funkčních snímků je rovněž velmi citlivá k pohybovýmartefaktům (včetně minimálních pohybů hlavy při polykání či mrkání).V souhrnu, každý lékař indikující vyšetření fMRI by měl zodpovědětněkolik základních otázek:

• Co od vyšetření očekávám a jaký bude mít vliv na další léčení pacienta?

• Jaký je pacientův mentální stav – bude schopen správně vykonat požadovanou úlohu?

• Jaký je pacientův klinický stav – bude schopen ležet cca 20 minut v naprostém klidu?

• Je pacient na medikaci? (Před vyšetřením je třeba vysadit sedativně působící farmaka jako benzodiazepiny či barbituráty).

Po ukončení měření jsou získaná data (funkční snímky,anatomické snímky, protokol o měření) převedena po síti z vlastního MRpřístroje či centrálního serveru (PACS) na místo dalšího zpracování. Předzpracování, statistická analýza a vyhodnocenívýsledků již většinou probíhá mimo vlastní MR pracoviště. Celkovádoba zpracování u jednoduché blokového designu se v případě klinickýchměření pohybuje kolem jedné hodiny. Moderní MR tomografy již mohou být vybavenysoftwarem pro zpracování fMRI.

Ke statistické detekci lze použít následující metody:

• Prostá subtrakce (prostý rozdíl průměrné hodnoty signálu získaného v době aktivity a průměrné hodnoty signálu v době klidu)
• Studentův t-test (rozdíl průměru je vážen směrodatnou odchylkou
• Korelační analýza
• Regresní analýza
• Analýza rozptylu

Jistým zobecněním a zapouzdřením výše uvedených metod je použití obecného lineárního modelu (GLM = General Linear model). Jedná se vlastně o určité zobecnění lineární regresní analýzy. Ovšem dle způsobu sestavení modelu a následného testování a interpretace regresních koeficientů z něj získáme např. t-test nebo ANOVu. Základní koncepce je znázorněna na následujícím obrázku. 

K modelování vnitřní dynamiky používá DCM stavový popis systému

• Vstupem jsou jednotlivé experimentální stimuly (psychologické podmínky)
• Výstupem jsou časové průběhy měřeného signálu
• Vnitřními stavy jsou vlastní stavy neurálních populací

Koncepce DCM uvažuje dva druhy vstupů

• Přímý nebo také řídící vstup ovlivňuje přímo neurální aktivitu v dané oblasti (např. v primárních senzorických oblastech)

• Kontextuální vstup ovlivňuje sílu vazeb mezi oblastmi (např. změna pozornosti, efekt učení, zpracování odlišné kategorie podnětu atd.).

Při použití DCM můžeme testovat dva druhy hypotéz. Sledujeme významnost konkrétních vazeb (vyjádřenou pomocí aposteriorní pravděpodobnosti). Srovnáváme vhodnost různých modelů lišících se strukturou povolených vazeb a z nich vybíráme pomocí Bayesovského výběru (BMS, Bayesian model selection) nejvhodnější model.

Výsledek voxel-by-voxel detekční metody získáváme statistickou parametrickou mapu (SPM= statistical parametric map). Po provedení prahování (pro každý bod musí být rozhodnuto o významnosti či nevýznamnosti statistické hodnoty) mapy, je získána výsledná mapu detekovaných aktivací a používá se k hodnocení výsledku experimentu.^[1]

V současné době existuje několik indikací, ve kterých lze fMRI s úspěchem využít. Jednou z nich je například předoperační plánování resekcí u expanzivních nitrolebních procesů např. u tumoru či AV malformace. Další doménou fMRI se stává epileptochirurgie. U pacientů s farmakorezistentní epilepsií temporálního laloku (TLE) je často indikována parciální resekce v postiženém temporálním laloku. fMRI se nabízí jako neinvazivní alternativa WADA testu.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu funkční magnetická rezonance na Wikimedia Commons