چکیده
هم سنجی وابسته سطح اکسیژن خون (BOLD) تحت تاثیر برخی از عوامل فیزیولوژیکی است مانند جریان خون و حجم خونی که می تواند منبعی از تغییرات در آنالیز fMRI باشد. مطالعات قبلی پیشنهاد دادند که از داده های پاسخ مغزی برای کالیبراسیون و نرمالایز کردن نگاشت های BOLD در جهت کاهش تغییرات داده های fMRI در میان نواحی مغزی در آنالیز فردی و در سراسر افراد استفاده کنیم. نگه داشتن دم یکی از گسترده ترین روشهای مورد استفاده برای بررسی واکنش پذیری عروقی است. با این حال، قدرت و تکثیرپذیری این روش به خوبی شناخته نشده است. در این مطالعه به بررسی سه دوره نگه داشتن دم می پردازیم. از افراد خواسته شد که نفس خود را برای 9، 15 و 21 ثانیه در سه مرحله مجزا نگه دارند و موافقت نامه fMRI بعد از 15 تا 20 روز تکرار شد. داده های ما نشان می دهد که BOLD به نگه داشتن دم بعد از نتایج حاصل از یک شکل پیچیده پاسخ می-دهد که دلیل آن عوامل فیزیولوژیکی است که بر روی تغییر سیگنال با زمانی که بشدت تکثیرپذیر است تاثیر می-گذارند. با این وجود، تکثیرپذیری مقدار پاسخ مغزی به دی اکسید کربن بصورت دامنه سیگنال BOLD و تعداد واژگان پاسخ بیان می شود که به شدت به مدت زمان دوره های نگه داشتن دم وابسته است. دوره نگه داشتن دم 9 ثانیه ای منجر به تغییر شدید مقدار پاسخ می شود در حالیکه دوره های طولانیتر پاسخهای BOLD تکثیرپذیر و محکمی را تولید می کنند.
مقدمه
تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) بر اساس هم سنجی وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) بطور وسیعی برای نشان دادن فعالیت مغز در افراد سالم و بیمار استفاده شده است (اگاوا، 1990). این روش از مدولاسیون جریان خون مغزی ناحیه ای در پاسخ به فعالیت عصبی بهره می برد (جیروارد و لادکولا، 2006). با این حال، این یک فرآیند پیچیده است و ارتباط بین پاسخ BOLD و متابولیسم عصبی بطور جزیی شناخته شده است زیرا پاسخهای BOLD تحت تاثیر هر تغییر همودینامیک مغزی قرار دارند (لوگوتتیس، 2002). برای مثال، گزارش شده است که تغییرات حالت عروقی پایه به دلیل مواد واسواکتیو (مانند کافیین) (مولدرینک، 2002)، عوامل دارویی (برون، 2003) سن و بیماریهای مغزی (وارد، 2008) می تواند پاسخ BOLD را دچار تغییر کند. حتی تغییر خودبخودی الگوی نفس کشیدن (وایز، 2004) یا دوره های کوتاه نگه داشتن دم (BH) نیز منجر به تغییرات CBF می شود و ممکن است منبع تغییر سیگنالهای مدلسازی نشده در مطالعات fMRI باشد (ابوت، 2005). علاوه بر این، اشاره شده است که پاسخ سیگنال BOLD به این عوامل در مناطق مغزی همگن نیست (ایتو، 2000)، که منجر به تغییری می شود که قدرت آماری را در آنالیز fMRI کاهش می دهد و باعث پیچیده شدن تفسیر نتایج فرد می شود (هندورکر، 2004). پیشنهاد شده است که حداقل بخشی از این تغییر می تواند زمانی که اطلاعات واکنش پذیری مغزی در تحلیل با هدف شناسایی پاسخهای BOLD به دلیل جفت شدن عصبی-روانی مدلسازی می شود به حساب آید. تصدیق این فرض، باندتینی و وانگ (1997) نشان دادند که نگاشته های fMRI BOLD می توانند در میان نواحی مغزی با استفاده از واکنش پذیری عصبی به استنشاق دی اکسید کربن نرمالایز شوند. یک روش مشابه نیز توسط کوهن (2004) ارائه شده است که قادر به کاهش قابل توجه اختلافات در نگاشته های fMRI BOLD حاصل در قدرتهای مختلف میدان تشدید مغناطیس بود. دیویس و همکاران (1998) این روش را با ارائه روشی بر اساس واکنش پذیری مغزی-عروقی ناشی از استنشاق دی اکسید کربن بعنوان مرجعی برای کالیبراسیون BOLD fMRI به منظور استخراج نرخ متابولیکی کمی مغزی مقادیر اکسیژن (CMRO2) توسعه دادند.
روشها
افراد
دادهها از میان افراد سالمی که رضایت آگاهانه خود را اعلام کرده بودند جمعآوری شد. چهار فرد از تحلیل حذف شدند. یک فرد به دلیل حرکت بیش از حد سر، یک فرد به دلیل نفس کشیدن خودبخودی در طول مرحله اسکن MR (خودگزارش وضعیت اضطراب) و دو فرد نیز به دلیل اجرا نکردن مرحله دوم اسکن حذف شدند. گروه آزمایشی متشکل از 11 فرد (5 مرد و 6 زن، سن: 3/8±7/31؛ محدوده 20 تا 42 سال) بود.
گرفتن MRI
تصاویر بر روی یک اسکنر 3 T MR (سیمنز، ارلانگن، آلمان) گرفته شدند. در طول هر عمل، 126 حجم مغزی با یک توالی EPI اکو (GE) اختلاف وزنی T2* (TR=3000 ms, TE=30 ms، زاویه تلنگر=90 درجه، ماتریس 64*64، FOV=192*192، تعداد برشها=36 قطعه قطعه، ضخامت قطعه=3میلیمتر، فاصله شکاف= 10درصد، اندازه واکسل=3 میلیمتر مکعب، پهنای باند خواندن در هر پیکسل 1980 کیلوهرتز) حاصل شد. تصاویر آناتومیک با وضوح بالا با استفاد از یک حجم مغزی سه بعدی وزنی T1 (TR=2300 ms, TE=3.93 ms، زاویه ضربه یا تلنگر=90درجه، رزولوشن 256*256 در صفحه، FOV=256، ضخامت برش=1 میلیمتر، تعداد قطعات=160 قطعه) حاصل شد.
توافقنامه fMRI
از افراد خواسته شد که نفس خود را برای 9، 15 یا 21 ثانیه (BH21, BH15, BH9) در طول مراحل جداگانه و مجزا نگه دارند. در هر مرحله مدت زمان نگه داشتن نفس (دم) برابر بود، هر کدام 9 یا 15 یا 21 ثانیه. هر مرحله با دو اسکن مصنوعی که هر کدام 3 ثانیه طول میکشید آغاز شد و به دنبال آن 42 ثانیه تنفس عادی صورت میگرفت. بعد از این، افراد پنج دوره نگه داشتن دم را اجرا کردند، که بطور متناوب برای هر مرحله 42 ثانیه تنفس عادی وجود داشت (شکل 1). هر دوره نگه داشتن دم قبل از نفس عمیق 3 ثانیهای و بعد از دوره نفس کشیدن عادی بود. پس از آخرین دوره تنفس طبیعی یک دوره اضافی تنفس خودبخودی نیز به ترتیب با زمانهای 60 ثانیه و 30 ثانیه به مراحل BH9 و BH15 اضافه شد. این امر به منظور گرفتن تعداد اسکنهای کسب شده که در کل 126 مورد برای هر مرحله بود و برای هر سه مرحله یکسان بود، ضرورت داشت. یک کلمه رنگی بر روی یک صفحه سیاه برای کمک کردن افراد در زمان تنفس در هر مرحله نمایش داده شد. فرد میبایست بطور عادی نفس میکشید در حالیکه کلمه تنفس (نفس بکش) به شکل سفید رنگی بر روی صفحه نمایش داده میشد. کلمه نفس عمیق نیز برای 3 ثانیه و به رنگ زرد برای دستور دادن به افراد در جهت اجرای تنفس عمیق نمایش داده شد. افراد باید نفس خود را به محض اینکه کلمه قرمز رنگ نگه داشتن نفس ظاهر میشد تا زمانیکه از روی صفحه محو میشد نگه میداشتند. ترتیب سه مرحله در میان افراد متعادل بود. افراد همین توافقنامه را بعد از 15 تا 20 روز تکرار میکردند.
پیشپردازش اطلاعات FMRI
تصاویر آناتومی و عملکردی با استفاده از ویاگر QX 1.9.10 (نوآوریهای مغزی، ماستریکت، هلند) پردازش شد. دادههای آناتومی (تصاویر وزنی T1 سه بعدی) برای زمینه B1 اصلاح و به فضای استاندارد مختصات تالیراک و AC-PC انتقال داده شدند. دادههای کارکردی بصورت زیر پردازش شدند: 1) 6 ثانیه اول (2 اسکن) هر مرحله برای اطمینان از حالت پایدار مغناطیسی طولی کنار گذاشته شدند؛ 2) تصحیح زمانبندی اسکن قطعه با الحاق سینک اجرا شد؛ 3) اصلاح حرکت سه بعدی با تنظیم درون مرحلهای اجرا شد (6 تبدیل صلب پارامتر، 3 چرخش و 3 حرکت انتقالی). حرکت انتقالی تخمینی و پارامترهای چرخشی برای مثتثنی کردن حرکات سر افراد بیش از 3 میلیمتر یا دو درجه فضایی (عرض کامل در بیشترین نیمه=5) بررسی شدند و فیلتر زمانی (فیلتر عبور بالای 006/0 هرتز و حذف روند خطی) به منظور حذف ریشههای پایه اعمال شدند. دادههای سریهای زمانی کارکردی هر فرد ابتدا با مجموعه دادههای آناتومی سه بعدی افراد ثبت شد، و به دنبال آن کاربرد تبدیل ماتریسهای مشتق شده از مراحل تبدیل فضایی برای مجموعه دادههای آناتومی سه بعدی اجرا شد. این مراحل منجر به دادههای دورههای زمانی چهار بعدی نرمالایز شده شد (گوبل، 2006). برای هر فرد ماده خاکستری قشری (GM) با استفاده از ابزار تقسیم پیشرفته بر روی T1-3D در وییگر مغزی تقسیم شد. هسته این ابزار یک محاسبه تطبیقی از آستانههای شدت برای محلیسازی مرزهای بین GM قشری و ماده سفید (WM) است. در نتیجه، ماده خاکستری قشری میتواند به صورت قابل اعتمادی از WM ، مایع مغزی نخاعی و ساختارهای ماده خاکستری زیر قشر مغز جدا شود. به منظور دستیابی به بهترین نتیج، ما همه مراحل پیش پردازش مورد نیاز شامل اصلاح ناهمگنی سیگنال و افزایش کنتراست بافت را انجام دادیم.
تحلیل دادهها
ما آنالیزهای خود را به GM قشری که برای هر فرد بر اساس اطلاعات آناتومی منفرد مشتق میشد محدود کردیم و آنرا بعنوان ناحیه مورد علاقه (ROI) تعریف کردیم.
برای هر اجرای فرد ما زمان سیگنال و همه واکسلهای موجود در ROI را متوسطگیری کردیم. سپس، مقدار متوسط 6 ثانیه (دو اسکن) قبل از هر آزمون بعنوان خط پایه که از طریق آن ما درصد تغییر سیگنال را محاسبه میکردیم استفاده میشد. مدت زمان هر اجرا سپس به پنج دوره تقسیم شد، هر کدام 6 ثانیه قبل از دستورالعمل شروع میشدند و زمانی پایان پیدا میکردند که دستورالعمل زیر برای نفس عمیق ارائه میشد. درصد تغییر سیگنال 5 دوره میانگینگیری شد. ما مثبتترین و منفیترین مقادیر (PSC) حاصل از شروع دوره نگه داشتن دم را انتخاب کردیم. ما همچنین زمان رسیدن به اوج (TTP) را با ضرب در 3 ثانیه تعداد اسکنهای حاصل از شروع دوره نگه داشتن دم برای PSC مثبت و منفی محاسبه کردیم. در نهایت، ما انتگرال ناحیهای که منحنی در اطراف هر PSC قرار دارد را بین نقاط قبل و بعد از PSC در دوره زمانی که سیگنال به صفر رسید یا دوره پایان یافت را محاسبه کردیم. همه محاسبات با استفاده از روال توسعه یافته (متلب، شرکت متورکس، ناتیک، امریکا) اجرا شدند.
نتایج
همه افراد قادر بودند که نفس خود را در طول تمامی اجراها بدون ناراحتی نگه دارند. با این حال، نگه داشتن دم برای 21 ثانیه مشکلتر از دیگر زمانهای BH بود و واضحترین حرکات قفسه سینه در طول این زمان و شرایط دیده شدند.
آنالیز تغییرات سیگنال نگه داشتن دم
منحنیهای میانگین تغییر سیگنال FMRI بر روی ROI ماده خاکستری قشری یک ساختار سه فازی را برای تمامی زمانهای BH نشان دادند (شکل 3). بعد از فاز اولیه کوتاه و مثبت، سیگنال منفی شد و روند افزایشی خود را بعد از 10 ثانیه آغاز کرد، و دوباره بین 18 تا 21 ثانیه بعد از آغاز نگه داشتن نفس مثبت میشود و سپس به پیک بیشینه در یک تاخیر متغیر وابسته به مدت زمان BH میرسد. سپس، سیگنال به آرامی با یک تاخیر متغیر به حالت پایه برمیگردد. سه بخش از منحنی بطور جداگانه مورد آنالیز قرار گرفته است.
تکثیرپذیری نگه داشتن دم
تکثیرپذیری تغییر سیگنال MR حاصل از نگه داشتن دم به مدت زمان بستگی دارد. جدول 3 تفاوت کسری بین اندازهگیریهای حاصل از روزهای مختلف با مقدار CVintra را نشان میدهد. CVintra برای TTP و Lag به زیر 10 درصد افت میکند، که نشان دهنده تغییر بسیار پایین Δ زمان پاسخ BOLD برای تمامی مدت زمانهای BH است. مقدار Δ پاسخ BOLD قابیلیت اطمینان پایینی را برای BH15 و BH21 داشت که با مقدار CVintra زیر سطح حدواسط 33 درصد برای سطح، PSC، حجم و بتا همراه بود. بطور قابل توجهی BH9 با مقدار CVintra بالای سطح حدواسط برای پارامترهای سطح و حجم همراه بود، که نشان دهنده تغییر معنادار مقدار پاسخ BOLD برای کوتاهترین زمان BH است.
بحث
پاسخ MR مشاهده شده ناشی از BH یک شکل سه فازی را نشان داد. همانطور که در مطالعات قبلی گزارش شد، شکل دوفازی اولیه منحنی به ترکیب بسیاری از عواملی که بطور همزمان با عمل تنفس عمیق اتفاق میافتد بستگی دارد، از جمله کاهش تنش رگهای ریوی و تغییر در ضربان قلب (ناکادا، 2001؛ توماسون، 2005) و مدولاسیون اتونومیک پاسخهای اتوآلرژیک مغزی (ژانگ، 2004). علاوه بر این، ژانگ و همکاران (2004) مشاهده کردند که، بعد از عمل والسالوا (پرکردن لپ و بینی از هوا) شکل دوفازی اولیه ممکن است قبل از جهش در CBF باشد. به منظور کنترل این اثر ممکن، ما به افراد دستور دادیم که از انقباض عضلانی شکمی در پایان تنفس عمیق پرهیز کنند. این فرضیه که تغییر مثبت/منفی اولیه با اصلاح روانی حاصل از عمل تنفس در ارتباط است با این مشاهده که تغییر اولیه در زمان نگه داشتن دم قابل مشاهده نیست بعد از بازدم اجرا میشود (کاستراپ، 1998).
در نتیجه، دادههای ما نشان میدهد که پاسخ BOLD به نگه داشتن دم بعد از تنفس عمیق منجر به شکب پیچیدهای میشود که دلیل آن عوامل فیزیولوژیکی است که تغییر سیگنال را با یک زمانبندی که به شدت تکثیرپذیر است تحت تاثیر قرار میدهد. پاسخ مغزی به دی اکسید کربن عمدتا با بخش سوم مثبت منحنی انعکاس داده میشود. با این وجود، تکثیرپذیری مقدار پاسخ مغزی به دی اکسید کربن، که بصورت دامنه تغییر سیگنال و تعداد واکسلهای در حال پاسخ بیان میشود، بشدت تحت تاثیر طول زمان BH است. نتایج ما نشان میدهد که پارادایم BH9 منجر به تغییرپذیری بالای مقدار پاسخ BOLD در آزمونها، افراد و مراحل میشود. پاسخ متغیر کمتر در میان مراحل با BH21 همراه است یعنی جاییکه دورههای 21 ثانیهای با تنفس عادی جایگزین میشود. با این وجود، BH21 نیز با کمترین تفاوت در میان افراد همراه است. بنابراین، اگر نگاشتههای مغزی برای کالیبرسیون و نرمالیزاسیون نگاشتههای FMRI BOLD ایجاد شوند، جایگزینی دورههای 15 ثانیهای با تنفس عادی با تکثیرپذیری قابل قبول در میان مراحل و پایداری در میان آزمونهای پاسخ BOLD همراه است و به نظر میرسد که بهترین پارادایم برای گرفتن تغییرپذیری پاسخ جمعیت باشد.
این مقاله ISI در سال 2009 در نشریه الزویر و در مجله تصویر عصبی، توسط گروه علوم ریخت شناسی-زیست پزشکی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله تغییر سیگنال BOLD حاصل از نگه داشتن نفس در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
