التصوير بالموجات فوق الصوتية الوظيفية (f USI) هو نمط تصوير دماغي بدأ للتو في الظهور في الدراسات البشرية. أنا متأكد من أن الكثيرين سيكونون على دراية بالتصوير الهيكلي بالموجات فوق الصوتية، الذي يشكل صورًا ثابتة باستخدام الموجات فوق الصوتية، كما في السونوجرام1. بدلًا من ذلك، يلتقط التصوير بالموجات فوق الصوتية الوظيفية أفلامًا لأنسجة الدماغ بسرعة كبيرة، ويتتبع التغيرات الطفيفة الناتجة عن تدفق الدم الذي يلي النشاط العصبي. تم إظهار التصوير بالموجات فوق الصوتية الوظيفية لأول مرة بواسطة Macé et al. (2011). يتم استخدام مسبار فوق صوتي لتصوير دماغ الفأر بسرعة كبيرة. يستخدم نهج حسابي لعزل البكسلات التي تتغير بسرعة، formando خريطة للأوعية الدموية. على الرغم من أن هذا هو نفس مصدر التباين كما في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، إلا أنه يمتلك القدرة على أن يكون دقة خطية أعلى بعشر مرات (1000 مرة الفوكسيل)، أصغر (لا مغناطيس!)، أرخص (لا مغناطيس!)، وأعلى نسبة إشارة إلى ضوضاء. يتوافق هذا النمط بشكل طبيعي مع الموجات فوق الصوتية المركزة منخفضة الشدة (LIFU، أو بشكل مربك، f US)، والتي تركز الطاقة على منطقة هدف في الدماغ لتعديلها، مما يوفر خيار علاجي جديد للاضطرابات العصبية النفسية والاضطرابات العصبية. قد تمتد الاستغلالات التي تستخدم عوامل التباين أو العلاجات الجينية إلى ما وراء الاستجابات الدموية لقياس الأوعية الدموية بدقة فائقة أو حتى قياس النشاط العصبي مباشرةً. وعلى الرغم من أن الموجات فوق الصوتية لا يمكنها بسهولة اختراق الجمجمة، فقد تم إظهار f USI أثناء الجراحة وفي مريض تلقى زرعًا جمجمة شفافًا صوتيًا بعد جراحة إعادة بناء الجمجمة.
لقد قمت بغوصًا عميقًا في f USI العام الماضي، ووجدت أن الكثير من المعلومات التقنية مخفية في أقسام الطرق في أوراق التطبيق، أو منتشرة في كتب طويلة عن التصوير بالموجات فوق الصوتية ككل. يلتقط f USI الاستجابة الدموية، ولكن كيف؟ ما هو مصدر التباين؟ هل يقيس تدفق الدم أم الحجم؟ كيف يتعامل مع حركة الرأس؟ ما هو الموجات فوق الصوتية، على أي حال؟ غمستُ في ثقب أرنب—بما في ذلك قراءة كتاب دراسي من 800 صفحة تقريبًا من الغلاف إلى الغلاف—حتى لا تضطر أنت إلى ذلك. سأشرح كيف يعمل f USI من الناحية الفيزيائية وكيف يتم تحليله. سيمنحك ذلك أساسًا جيدًا لدراسة f USI حسابيًا. نظرًا لأن العديد من أدوات التحليل المتاحة لمحاكاة f USI مغلقة في Matlab، فقد نشرت سلسلة من دروس Python على Github بحيث يمكنك (أو وكيلك) المتابعة.
في نهاية هذا المقال، يجب أن تفهم ما هو f USI، وكيف يعمل، ولماذا هو بعيد جدًا عن بلوغ سقفه. هذا هو نسخة موسعة بشكل كبير من مقال نشرته على X في فبراير. لم أكن راضيًا عن الأصل، لذا قمت بمراجعة ثانية: هذه القطعة تشمل صورًا وفيديوهات جديدة، وتغوص أعمق في الفيزياء، وتحدد مكان تحسين معالجة إشارات f USI.
التصوير بالموجات فوق الصوتية الوظيفية، مثل التصوير بالموجات فوق الصوتية التقليدي، يستخدم المحولات—which act as both transmitters and receivers—to التواصل بالموجات فوق الصوتية عبر الأنسجة. تسير هذه الموجات فوق الصوتية معظمها دون عائق عبر أنسجة الدماغ2، وتنعكس обратно حيث تواجه تغييرًا في المقاومة، مثل خلية دم حمراء، أو فقاعة هواء، أو الجمجمة. من خلال قياس هذه الموجات المنعكسة، يمكن إعادة بناء التغيرات المحلية في المقاومة حسابيًا. دقة الصور المعاد بناؤها متناسبة مع طول موجة الموجات فوق الصوتية المُرسلة؛ ويمكن أن يعني ذلك حتى ~100 ميكرومتر دقة خطية عند الصدى بتردد 18 ميغاهرتز، في الطرف العالي مما يُستخدم سريريًا. هذا يشرح كيف يمكننا قياس صور هيكلية عالية الدقة، ولكن ماذا عن التصوير الوظيفي؟ عندما تطلق الخلايا العصبية، فإنها تستهلك الطاقة، مما يحفز توسع الأوعية وتدفقًا متأخرًا للدم إلى المنطقة النشطة: الديناميكا الدموية. هذا الدم مختلف عن الخط الأساسي: هناك المزيد منه، يتحرك بسرعة أكبر، وله محتوى أكسجين مختلف، ولون مختلف. تستفيد عدة أنماط تصوير دماغي من هذا事実، بما في ذلك f MRI (BOLD) وf NIRS. يستغل f USI حقيقة أن خلايا الدم الحمراء المتحركة تسبب تحولات في إشارة الموجات فوق الصوتية المنعكسة، مما يسمح له بتتبع التغيرات السريعة في تدفق الدم التي تلي النشاط العصبي. هذه الاستجابة الدموية توفر التباين للتصوير الوظيفي.
المصدر: Hacker News · لخّصه HeadlinesBriefing