फंक्शनल अल्ट्रासाउंड इमेजिंग (f USI) एक मस्तिष्क इमेजिंग मॉडैलिटी है जो केवल मानव अध्ययनों में प्रदर्शित होना शुरू हुई है। मुझे यकीन है कि बहुत से लोग संरचनात्मक अल्ट्रासाउंड इमेजिंग से परिचित होंगे, जो अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके स्थिर छवियां बनाता है, जैसे कि एक सोनोग्राम1। फंक्शनल अल्ट्रासाउंड इसके बजाय मस्तिष्क ऊतक की बहुत तेज़ गति से फिल्में कैप्चर करता है, तंत्रिका गतिविधि के बाद आने वाले रक्त प्रवाह के कारण होने वाले सूक्ष्म परिवर्तनों को ट्रैक करता है। फंक्शनल अल्ट्रासाउंड इमेजिंग का पहला प्रदर्शन Macé et al. (2011) द्वारा किया गया। एक अल्ट्रासाउंड प्रोब का उपयोग करके एक चूहे के मस्तिष्क को बहुत तेज़ गति से इमेज किया जाता है। एक गणनात्मक दृष्टिकोण तेज़ी से बदलते पिक्सेल को अलग करता है, जिससे वैस्कुलेचर का एक नक्शा बनता है। जबकि यह फंक्शनल मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (fMRI) के समान विपरीत स्रोत का उपयोग करता है, इसकी क्षमता है कि यह दस गुना अधिक रैकल रिज़ॉल्यूशन (1000 गुना वॉक्सेल) प्रदान कर सकता है, छोटा है (कोई चुंबक नहीं!), सस्ता है (कोई चुंबक नहीं!), और उच्च सिग्नल-टू-नॉइस अनुपात है। इस मॉडैलिटी का प्राकृतिक रूप से जोड़ा जाता है कम-तीव्रता फोकस्ड अल्ट्रासाउंड (LIFU, या भ्रामक रूप से, f US) के साथ, जो मस्तिष्क के एक लक्ष्य क्षेत्र पर ऊर्जा केंद्रित करके इसे मॉड्यूलेट करता है, न्यूरोप्साइकिएट्रिक और न्यूरोलॉजिकल विकारों के लिए एक नया उपचार विकल्प प्रदान करता है। कंट्रास्ट एजेंट्स या जीन थेरेपी का उपयोग करने वाले एक्सटेंशन hemodynamic प्रतिक्रियाओं से परे जा सकते हैं ताकि सुपर-रिज़ॉल्यूशन पर वाहिकाओं को मापा जा सके या यहां तक कि सीधे न्यूरल गतिविधि को मापा जा सके। और जबकि अल्ट्रासाउंड खोपड़ी को आसानी से पार नहीं कर सकता, f USI को ऑपरेटिव रूप से और एक रोगी में प्रदर्शित किया गया है जिसे पुनर्निर्माण खोपड़ी सर्जरी के बाद ध्वनिक रूप से पारदर्शी खोपड़ी इम्प्लांट मिला था।
मैंने पिछले साल f USI में गहरा अध्ययन किया और पाया कि तकनीकी जानकारी का बहुत हिस्सा आवेदन पत्रों के मेथड्स सेक्शन में छिपा हुआ है, या अल्ट्रासाउंड इमेजिंग के पूरे विषय पर लंबी किताबों में बिखरा हुआ है। f USI hemodynamic प्रतिक्रिया को पकड़ता है, लेकिन कैसे? विपरीत का स्रोत क्या है? क्या यह रक्त प्रवाह या आयतन मापता है? यह सिर की गति से कैसे निपटता है? अल्ट्रासाउंड क्या है, 어쨌든? मैं एक खरगोश के छिद्र में गया—एक 800-पृष्ठ की पाठ्यपुस्तक को लगभग कवर-टू-कवर पढ़कर— ताकि आपको ऐसा न करना पड़े। मैं बताऊंगा कि f USI भौतिक रूप से कैसे काम करता है और इसका विश्लेषण कैसे किया जाता है। इससे आपको f USI का कंप्यूटेशनल अध्ययन करने के लिए एक अच्छा आधार मिलेगा। क्योंकि f USI सिम्स के लिए उपलब्ध बहुत सारे विश्लेषण टूलकिट Matlab में बंद हैं, मैंने Github पर पायथन ट्यूटोरियल की एक श्रृंखला पोस्ट की है ताकि आप (या आपका एजेंट) अनुसरण कर सकें।
इस निबंध के अंत तक, आपको समझ में आ जाएगा कि f USI क्या है, यह कैसे काम करता है, और क्यों यह अपनी सीमा के बहुत दूर है। यह एक बहुत विस्तारित संस्करण है जिसका लेख मैंने फरवरी में X पर पोस्ट किया था। मैं मूल से खुश नहीं था, इसलिए मैंने दूसरा संस्करण तैयार किया: इस टुकड़े में नई छवियाँ और वीडियो हैं, भौतिकी में गहराई से गया है, और बताया गया है कि f USI सिग्नल प्रोसेसिंग कहाँ सुधारा जा सकता है।
फंक्शनल अल्ट्रासाउंड इमेजिंग, सामान्य अल्ट्रासाउंड इमेजिंग की तरह, ट्रांसड्यूसर का उपयोग करती है—which act as both transmitters and receivers—to ऊतक के माध्यम से अल्ट्रासाउंड संचारित करने के लिए। यह अल्ट्रासाउंड ज्यादातर मस्तिष्क ऊतक2 में बाधा के बिना यात्रा करता है, जहां यह प्रतिबाधा में परिवर्तन का सामना करता है—जैसे एक लाल रक्त कोशिका, एक हवा की बुलबुला, या खोपड़ी—और पीछे की ओर散射 होता है। इन पीछे की ओर散射 तरंगों को मापकर, स्थानीय प्रतिबाधा में परिवर्तन की गणनात्मक रूप से पुनर्निर्माण करना संभव है। पुनर्निर्मित छवियों का रिज़ॉल्यूशन संचारित अल्ट्रासाउंड की तरंगदैर्घ्य के समानुपाती होता है; इसका मतलब हो सकता है कि 18 MHz पर सोनिफाइ करने पर लगभग 100 µm रैखिक रिज़ॉल्यूशन तक पहुँचना, जो क्लिनिकल उपयोग के उच्चतम छोर पर है। यह बताता है कि हम उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली संरचनात्मक छवियों कैसे माप सकते हैं, लेकिन फंक्शनल इमेजिंग के बारे में क्या? जब न्यूरॉन फायर करते हैं, तो वे ऊर्जा का उपभोग करते हैं, जो वासोडायलेशन और सक्रिय क्षेत्र में रक्त की देरी से वृद्धि को ट्रिगर करता है: hemodynamics। यह रक्त आधार रेखा से अलग होता है: इसमें अधिक मात्रा होती है, यह तेजी से चलता है, इसका ऑक्सीजन सामग्री अलग होती है, और इसका रंग अलग होता है। कई मस्तिष्क इमेजिंग मॉडैलिटी इस तथ्य का लाभ उठाती हैं, जिनमें f MRI (BOLD) और f NIRS शामिल हैं। f USI इस तथ्य का उपयोग करता है कि चलते हुए लाल रक्त कोशिकाएं पीछे की ओर散射 अल्ट्रासाउंड संकेत में स्थानांतरण पैदा करती हैं, जिससे यह तंत्रिका गतिविधि के बाद आने वाले रक्त प्रवाह में तेज परिवर्तनों को ट्रैक करने में सक्षम बनाती है। यह hemodynamic प्रतिक्रिया फंक्शनल इमेजिंग के लिए विपरीत प्रदान करती है।
स्रोत: Hacker News · HeadlinesBriefing द्वारा सारांशित