Die funktionelle Ultraschallbildgebung (f USI) ist eine Hirnabbildungsmethode, die gerade erst in menschlichen Studien demonstriert wird. Ich bin sicher, dass viele mit der strukturellen Ultraschallbildgebung vertraut sind, die statische Bilder mittels Ultraschall erzeugt, wie in einem Sonogramm1. Die funktionelle Ultraschallbildgebung hingegen nimmt sehr schnell Filme des Hirngewebes auf und verfolgt subtile Veränderungen, die durch den Blutfluss verursacht werden, der der neuronalen Aktivität folgt. Die funktionelle Ultraschallbildgebung wurde erstmals von Macé et al. (2011) demonstriert. Ein Ultraschallkopf wird verwendet, um das Gehirn einer Ratte sehr schnell abzubilden. Ein rechnerischer Ansatz isoliert schnell verändernde Pixel, wodurch eine Gefäßkarte entsteht. Obwohl dies die gleiche Kontrastquelle wie bei der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) ist, hat sie das Potenzial, eine zehnmal höhere lineare Auflösung (1000-mal mehr Voxel) zu erreichen, kleiner zu sein (kein Magnet!), günstiger zu sein (kein Magnet!) und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu haben. Diese Methode kombiniert sich natürlich mit der niederintensiven fokussierten Ultraschall (LIFU, oder verwirrend, f US), die Energie auf ein Zielgebiet im Hirn fokussiert, um es zu modulieren, und bietet eine neue Behandlungsoption für neuropsychiatrische und neurologische Störungen. Erweiterungen, die Kontrastmittel oder Gentherapie nutzen, könnten über die hämodynamischen Antworten hinausgehen, um Gefäße in Superauflösung zu messen oder sogar die neuronale Aktivität direkt zu messen. Und obwohl Ultraschall den Schädel nicht leicht durchdringen kann, wurde f USI intraoperativ und bei einem Patienten gezeigt, der nach rekonstruktiver Schädelchirurgie ein akustisch durchlässiges Schädelimplantat erhalten hatte.
Ich habe letztes Jahr einen tiefen Einstieg in f USI gemacht und festgestellt, dass viele technische Informationen in den Methodenabschnitten der Anwendungsarbeiten versteckt sind oder in langen Büchern über die Ultraschallbildgebung insgesamt verstreut liegen. f USI erfasst die hämodynamische Antwort, aber wie? Was ist die Quelle des Kontrasts? Misst sie Blutfluss oder Volumen? Wie geht sie mit Kopfbewegung um? Was ist Ultraschall überhaupt? Ich bin in ein Kaninchenloch gegangen—inklusive des Lesens eines 800-Seiten-Lehrbuchs fast von Cover zu Cover—damit du das nicht tun musst. Ich werde erklären, wie f USI physikalisch funktioniert und wie sie analysiert wird. Dadurch erhältst du eine gute Grundlage, um f USI rechnergestützt zu studieren. Da viele der für f USI-Simulationen verfügbaren Analyse-Toolkits in Matlab eingeschlossen sind, habe ich eine Reihe von Python-Tutorials auf Github veröffentlicht, damit du (oder dein Agent) ihnen folgen kannst.
Am Ende dieses Aufsatzes solltest du verstehen, was f USI ist, wie sie funktioniert und warum sie noch weit von ihrem Potenzial entfernt ist. Dies ist eine deutlich erweiterte Version eines Artikels, den ich im Februar auf X gepostet habe. Ich war mit dem Original nicht zufrieden, also habe ich eine zweite Durchlauf gemacht: Dieser Text enthält neue Bilder und Videos, geht tiefer in die Physik hinein und weist darauf hin, wo die Signalverarbeitung bei f USI verbessert werden könnte.
Die funktionelle Ultraschallbildgebung, wie die konventionelle Ultraschallbildgebung, verwendet Transducer—which act as both transmitters and receivers—to Ultraschall durch Gewebe zu kommunizieren. Dieser Ultraschall reist größtenteils unbehindert durch Hirngewebe2 und wird zurückgestreut, wo er auf eine Impedanzänderung trifft, wie ein roter Blutkörperchen, eine Luftblase oder der Schädel. Durch das Messen dieser zurückgestreuten Wellen ist es möglich, lokalen Änderungen der Impedanz rechnerisch zu rekonstruieren. Die Auflösung der rekonstruierten Bilder ist proportional zur Wellenlänge des kommunizierten Ultraschalls; das kann bedeuten, dass bei der Sonifikation bei 18 MHz eine lineare Auflösung von bis zu ~100 µm erreicht wird, am oberen Ende dessen, was klinisch verwendet wird. Dies erklärt, wie wir hochauflösende strukturelle Bilder messen können, aber wie steht es um die funktionelle Bildgebung? Wenn Neuronen feuern, verbrauchen sie Energie, was eine Vasodilatation und einen verzögerten Zustrom von Blut in das aktive Gebiet auslöst: Hämodynamik. Dieses Blut unterscheidet sich von der Ausgangsbasis: Es ist mehr davon vorhanden, es bewegt sich schneller, es hat einen anderen Sauerstoffgehalt und eine andere Farbe. Mehrere Hirnabbildungsmodalitäten nutzen diesen Umstand, einschließlich f MRI (BOLD) und f NIRS. Die funktionelle Ultraschallbildgebung nutzt die Tatsache aus, dass sich bewegende rote Blutkörperchen Verschiebungen im rückgestreuten Ultraschallsignal verursachen, wodurch sie schnelle Änderungen im Blutfluss verfolgen kann, die der neuronalen Aktivität folgen. Diese hämodynamische Antwort liefert den Kontrast für die funktionelle Bildgebung.
Quelle: Hacker News · Zusammengefasst von HeadlinesBriefing