Функциональная ультразвуковая визуализация (f USI) — это модальность визуализации мозга, которая только начинает демонстрироваться в исследованиях на людях. Я уверен, что многие будут знакомы с структурной ультразвуковой визуализацией, которая формирует статические изображения с помощью ультразвука, как в сонограмме1. Функциональная ультразвуковая визуализация, напротив, захватывает фильмы мозговой ткани очень быстро, отслеживая тонкие изменения, вызванные кровотоком, который следует за нейронной активностью. Функциональная ультразвуковая визуализация была впервые продемонстрирована Macé et al. (2011). Для визуализации мозга крысы очень быстро используется ультразвуковой датчик. Вычислительный подход изолирует быстро меняющиеся пиксели, формируя карту сосудов. Хотя это тот же источник контраста, что и в функциональной магнитно-резонансной визуализации (fMRI), у нее есть потенциал быть в десять раз выше по линейному разрешению (1000 раз больше вокселей), меньше (без магнита!), дешевле (без магнита!) и с лучшим отношением сигнал/шум. Эта модальность естественно сочетается с низкоинтенсивным фокусированным ультразвуком (LIFU, или запутанно, f US), который фокусирует энергию на целевой области мозга для ее модуляции, предлагая новый вариант лечения нейропсихиатрических и неврологических расстройств. Расширения, использующие контрастные агенты или генотерапию, могут выходить за пределы гемодинамических реакций для изучения сосудов на сверхразрешении или даже непосредственно измерять нейронную активность. И хотя ультразвук не легко проникает через череп, f USI была продемонстрирована внутриоперационно и у пациента, получившего акустически прозрачный черепной имплантат после реконструктивной операции на черепе.
Я провел глубокий анализ f USI в прошлом году и обнаружил, что большая часть технической информации скрыта в разделах методов статей по применению или разбросана по длинным книгам об ультразвуковой визуализации в целом. f USI захватывает гемодинамический отклик, но как? Какой является источник контраста? Измеряет ли она кровоток или объем? Как она справляется с движением головы? Что такое ультразвук, вообще? Я углубился в кроличью нору — включая чтение учебника на 800 страниц почти от корки до корки — чтобы вам не пришлось это делать. Я объясню, как физически работает f USI и как она анализируется. Это даст вам хорошую основу для вычислительного изучения f USI. Поскольку многие из наборов инструментов анализа, доступных для симуляций f USI, заблокированы в Matlab, я разместил серию учебников по Python на Github, чтобы вы (или ваш агент) могли следовать вместе.
К концу этого эссе вы должны понять, что такое f USI, как она работает и почему она еще далеко от своего предела. Это значительно расширенная версия статьи, которую я разместил в X в феврале. Я не был доволен оригиналом, поэтому сделал второй проход: эта часть включает новые изображения и видео, углубляется в физику и указывает, где обработка сигналов f USI может быть улучшена.
Функциональная ультразвуковая визуализация, как и обычная ультразвуковая визуализация, использует преобразователи — которые действуют как и передатчики, и приемники — для передачи ультразвука через ткань. Этот ультразвук в основном беспрепятственно проходит через ткань мозга2, отражаясь назад там, где он встречает изменение импеданса, например, красную кровяную клетку, воздушный пузырь или череп. Измеряя эти обратно рассеянные волны, можно вычислительно восстановить локальные изменения импеданса. Разрешение восстановленных изображений пропорционально длине волны передаваемого ультразвука; это может означать до ~100 мкм линейного разрешения при сонорификации на 18 МГц, на верхнем пределе клинического использования. Это объясняет, как мы можем измерять изображения высокого разрешения структуры, но что насчет функциональной визуализации? Когда нейроны возбуждаются, они потребляют энергию, что запускает вазодилатацию и задержанный приток крови к активному региону: гемодинамика. Эта кровь отличается от базовой линии: ее больше, она движется быстрее, у нее другое содержание кислорода и другой цвет. Множество модальностей визуализации мозга используют этот факт, включая f MRI (BOLD) и f NIRS. f USI использует тот факт, что движущиеся красные кровяные клетки вызывают сдвиги в обратно рассеянном ультразвуковом сигнале, позволяя ей отслеживать быстрые изменения кровотока, следующие за нейронной активностью. Эта гемодинамическая реакция обеспечивает контраст для функциональной визуализации.
Источник: Hacker News · Сводку подготовил HeadlinesBriefing