پیامدهای جداشدن عصبی عروقی در تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) تومورهای مغزی

Implications of neurovascular uncoupling in functional magnetic resonance imaging (fMRI) of brain tumors

چکیده

واحد عصبی‌عروقی در هموستازی

عروق تومورهای مغزی

تومورهای مغزی واحد عصبی‌عروقی را تغییر می‌دهند

fMRI تومورهای مغزی

پیامدهای استفاده از fMRI به عنوان یک نشانگر زیستی از پیشرفت GBM

نتیجه‌گیری

چکیده

تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) به عنوان یک ابزار حیاتی برای عکس‌برداری پیش‌جراحی قشر سخنوری عمل کرده و در عملکرد نوورلوژیکی بیماران مبتلا به تومور مغزی تغییر ایجاد می‌کند. با این حال مکانیسم کنتراست وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) اصلی fMRI در نظر می‌گیرد که جفت‌شدن عصبی‌عروقی طی پیشرفت تومور مغزی دست نخورده باقی مانده، و این تغییرات اندازه‌گیری شده در جریان خون مغزی (CBF) با عملکرد نورونی ارتباط دارد. مطالعات ‌پیش‌بالینی و بالینی اخیر نشان داده‌اند که حتی تومورهای مغزی با درجه پایین می‌توانند جدا شدن عصبی‌عروقی (NVU) را نشان دهند، این تفسیر داده‌های fMRI مخدوش می‌کند. بنابراین، برای جلوگیری از عوارض جراحی عصبی در مبنای بیوفیزیکی NVU و تاثیر آن بر fMRI ضروری است. در این مقاله فیزیولوژی نحوه بازسازی واحد عصبی‌عروقی و تغییر عملکردی این واحد توسط سلول‌های سرطانی مغز را را بررسی می کنیم. در ابتدا آخرین یافته‌ها را درباره اجزای واحد عصبی‌عروقی بحث می‌کنیم. سپس، ما نتایج بدست آمده از مطالعات پیش‌بالینی و بالینی را تلفیق می‌کنیم تا تأثیر NVU ناشی از تومور مغزی بر تفسیر داده‌های fMRI نمایان شود. ما آن دسته از پیشرفت‌های حاصل شده در روش‌های تصویربرداری عملکردی بررسی می‌کنیم که امکان ارزیابی بالینی تومورهای مغزی با NVU می‌دهد. آخر سر ما به این بحث می‌پردازیم که چگونه جلوگیری از تشکیل ناهنجار رگ‌های خونی تومور با درمان‌های ضد رگ‌زایی می تواند عروق تومور مغزی نرمال و تحت کنترل درآورد و بطور بالقوه جفت‌شدگی عصبی‌عروقی را حفظ کند.

جفت‌شدگی عصبی‌عروقی ارتباط بین تحریک عصبی و تغییرات همزمان در جریان خون مغزی به منظور فراهم کردن تقاضاهای متغیر انرژی است. این رابطه اساس مکانیسم کنتراست وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD)  تشکیل می‌دهد و این مکانیسم زمینه اصلی تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) مغز است. با این حال، سیگنال BOLD کاملا با پتانسیل‌های عمل نورونی ارتباط ندارد. سیگنال BOLD ترکیبی از چندین پدیده شامل تغییرات جریان خون مغزی (CBF)، حجم خون مغزی (CBV) و میزان متابولیسم مغزی برای مصرف اکسیژن (CMRO2) است. با این وجود، این جفت‌شدگی عصبی‌عروقی است که fMRI قادر به بررسی و ترسیم عملکرد مغز در بیماران کرده است. 

نتیجه‌گیری

گلیوما باعث ایجاد درجات متفاوتی از اختلال در بخش عصبی‌عروقی متشکل از آستروسیت‌ها، پری‌سیت‌های و سلول‌های اندوتلیال می‌شود. این اختلالات باعث اختلال در جفت‌شدگی عصبی‌عروقی می‌شوند و می‌تواند به علت عدم پاسخ عروقی و ناتوانایی در تأمین متابولیت‌ها و اکسیژن به جمعیت‌های عصبی فعال، منجر به سمیت تحریک بیش از حد سریع‌تر می‌شود. هیپوکسی ناشی از مرگ‌و‌میر سلول‌های تومور در نهایت منجر به فعال کردن زنجیره‌ای از وقایع می شود که به رشد رگ‌زایی و تشکیل عروق خونی متناسب با رشد تومور منجر می‌شود. تغییر به فنوتیپ کوپشنی نیز می‌تواند در بیماران رخ دهد، که در آن سلول‌های گلیوما تون عروق میزبان را تحت کنترل خود در می‌آورند.

Abstract

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) serves as a critical tool for presurgical mapping of eloquent cortex and changes in neurological function in patients diagnosed with brain tumors. However, the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) contrast mechanism underlying fMRI assumes that neurovascular coupling remains intact during brain tumor progression, and that measured changes in cerebral blood flow (CBF) are correlated with neuronal function. Recent preclinical and clinical studies have demonstrated that even low-grade brain tumors can exhibit neurovascular uncoupling (NVU), which can confound interpretation of fMRI data. Therefore, to avoid neurosurgical complications, it is crucial to understand the biophysical basis of NVU and its impact on fMRI. Here we review the physiology of the neurovascular unit, how it is remodeled, and functionally altered by brain cancer cells. We first discuss the latest findings about the components of the neurovascular unit. Next, we synthesize results from preclinical and clinical studies to illustrate how brain tumor induced NVU affects fMRI data interpretation. We examine advances in functional imaging methods that permit the clinical evaluation of brain tumors with NVU. Finally, we discuss how the suppression of anomalous tumor blood vessel formation with antiangiogenic therapies can ‘‘normalize’’ the brain tumor vasculature, and potentially restore neurovascular coupling.

Neurovascular coupling is the relationship between neural firing and concomitant changes in cerebral blood flow to accommodate changing energy demands.1,2 This relationship constitutes the basis of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) contrast mechanism that underlies functional magnetic resonance imaging (fMRI) of the brain. However, the BOLD signal is not perfectly correlated with neuronal action potentials. The BOLD signal is a mixture of several phenomena including changes in cerebral blood flow (CBF), cerebral blood volume (CBV), and the cerebral metabolic rate for oxygen consumption (CMRO2).3 Nonetheless, it is this neurovascular coupling that has made fMRI the workhorse for interrogating and mapping brain function in patients.4

Conclusion

Gliomas result in varying degrees of perturbation to the neurovascular unit composed of astrocytes, pericytes, and endothelial cells. These disruptions impair neurovascular coupling and can lead to faster excitotoxicity due to the lack of vascular response and an inability to supply metabolites and oxygen to active neuronal populations. The resulting hypoxia in conjunction with tumor cell death eventually triggers a cascade of events that leads to angiogenic growth and poorly formed vasculature to support tumor growth. A shift to the co-optive phenotype, in which glioma cells take over control of host vascular tone, can also occur in patients.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

پیامدهای جداشدن عصبی عروقی در تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) تومورهای مغزی

Implications of neurovascular uncoupling in functional magnetic resonance imaging (fMRI) of brain tumors

نقشه برداری راکتیویته مغزی برای برنامه ریزی پیش از جراحی تومور مغزی

Cerebrovascular reactivity mapping for brain tumor presurgical planning

چکیده

مقدمه

FMRI بالینی برای برنامه‌ریزی قبل از جراحی

پارادایم‎های حسی- حرکتی

پارادایم‌های زبانی

پارادایم‌های بصری

روایی بالینی و تأثیر جراحی

محدودیت‌های BOLD fMRI و نقش تصویربرداری (نقشه‌برداری) راکتیویته مغزی عروقی

اهمیت جداشدگی عصبی عروقی

نقشه‌برداری CVR

مثال‌ بالینی NVU که با نقشه‌برداری BH CVR تشخیص داده شده است

سایر کاربردهای بالینی نقشه برداری CVR

چکیده

این مقاله یک بررسی از کاربردهای تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی وابستگی سطح اکسیژن خون (BOLD fMRI) را در نقشه‌برداری قبل از جراحی برای برش ضایعه در بیماران مبتلا تومورهای مغزی ارائه می‌دهد. ابتدا اصل فیزیکی اثر BOLD بحث می‌شود و سپس یک بررسی کلی از اهداف برنامه‌ریزی قبل از جراحی پرداخته خواهد شد. پس از این الگوهای حسی حرکتی، گفتاری و بینایی بررسی می‌شود که معمولاً در fMRI بکار گرفته می‌شود. در ادامه توضیح مختصری از مطالعات بیانگر اثر بالینی BOLD fMRI قبل از جراحی ارائه می‌شود. بعد از این مقدمه کامل درباره fMRI قبل از جراحی، توضیحی دقیق از پدیده جداشدگی عصبی عروقی (NVU) ارائه می‌شود که محدودیت اصلی fMRI محسوب می‌شود و در ادامه رویکردهای متفاوت بکار گرفته شده برای نقشه‌برداری راکتیویته مغزی عروقی (CVR) BOLD بحث می‌شود که روشی مؤثر برای تشخیص NVU هست. آنگاه یک مورد بالینی را آوریم که ارزش نقشه‌برداری CVR در تفسیر بالینی fMRI قبل جراحی را نمایان می‌سازد. در  نهایت این مقاله با یک بررسی مختصر از کاربردهای نقشه‌برداری CVR در مقایسه با تصویربرداری قبل جراحی نتیجه‌گیری می‌کند. 

مقدمه 

تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی وابستگی سطح اکسیژن خون (BOLD fMRI) یک تکنیک تصویربرداری از مغز هست که از دی اکسی هموگلوبین موجود در عروق خونی به عنوان عامل کنتراست دورن زا برای گرفتن نقشه‌های فعالسازی عملکردی استفاده می‌شود [1]. 

فعالسازی نورونی سبب افزایش موقت در تخلیه اکسیژن موضعی از خون می‌شود که این خون با افزایش خیلی بیشتر در جریان خون مغزی (CBF) و حجم خون مغزی (CBV)  وابسته هست. این تخلیه هموگلوبین اکسیژن دار منجر به افت خالص در غلظت دی اکسی هموگلوبین می‌شود. این افت در غلظت دی اکسی هموگلوبین پارامغناطیس سبب افزایش زمان‌های استراحت مغناطیسی T2 و T2*  می‌شود. بنابراین تصویربرداری از مواضع قشر سخنوری از طریق کسب پشت سر هم تصاویر وزن‌دهی شده T2 و T2* بدست آمده است در حالیکه این مسئله در حالت استراحت یا حین انجام وظیفه هست و تشخیص این سیگنال در ارتباط با کاهش موضعی غلظت دی اکسی هموگلوبین همراه با فعالسازی عملکردی نسبت به حالت پایه افزایش می‌یابد. 

سایر کاربردهای بالینی نقشه برداری CVR

 در حالیکه CVR به عنوان شاخصی حساس برای ارزشیابی توانایی مغز به تعدیل و تنظیم پویای تأمین انرژی تلقی می‌شود هنوز کاربردهای بالینی تصویربرداری CVR (بعلاوه نقشه‌برداری قبل جراحی) برای تحقق پتانسیل کامل آن عمدتاً به دلیل محدودیت‌های فنی حاصل نشده است. در سالیان اخیر، با توسعه رویکردهای پیشرفته مختلف، کاربردهای بالینی قابل اعتماد تصویربرداری CVR ظهور یافته‌اند.

نقشه‌برداری CVR در بیماری‌های مغزی عروقی به عنوان یک ابزار امیدوارکننده برای پزشکان دخیل در ارزیابی بیماران در معرض خطر سکته مغزی ظهور کرده است. چنین مطالعه با استفاده از هایپرکاپنه ناشی از پاسخ سیگنال BOLD MRI به پروب CVR در بیماران مبتلا به بیماری‌های انسداد شریان مانند تنگی شرایین کاروتید گزارش شده است [55،71،72]. به عنوان مثال، بیمار مبتلا به انسداد شریان مغزی راست و پدیده Moyamoya ناشی از آنمی آپلاستیک مقادیر CVR پارادوکسیال را در ناحیه شریان مغز میانی سمت راست در قشر نشان داد [55].

Abstract

This article provides a review of Blood Oxygen Level Dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) applications for presurgical mapping in patients with brain tumors who are being considered for lesion resection. Initially, the physical principle of the BOLD effect is discussed, followed by a general overview of the aims of presurgical planning. Subsequently, a review of sensorimotor, language and visual paradigms that are typically utilized in clinical fMRI is provided, followed by a brief description of studies demonstrating the clinical impact of preoperative BOLD fMRI. After this thorough introduction to presurgical fMRI, a detailed explanation of the phenomenon of neurovascular uncoupling (NVU), a major limitation of fMRI, is provided, followed by a discussion of the different approaches taken for BOLD cerebrovascular reactivity (CVR) mapping, which is an effective method of detecting NVU. We then include one clinical case which demonstrates the value of CVR mapping in clinical preoperative fMRI interpretation. The paper then concludes with a brief review of applications of CVR mapping other than for presurgical mapping.

INTRODUCTION

Blood Oxygen Level Dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) is a brain mapping technique using deoxyhemoglobin contained in the blood vessels as an endogenous contrast agent to produce functional activation maps[1].

Neural activation induces a transient increase in regional oxygen extraction from the blood that is coupled with a much larger increase in cerebral blood flow (CBF) and cerebral blood volume (CBV). This influx of oxygenated hemoglobin results in a net decrease in regional deoxyhemoglobin concentration. This drop in paramagnetic deoxyhemoglobin concentration leads to an increase in the magnetic relaxation times T2 and T2*. The mapping of eloquent areas is thus obtained by acquiring T2 or T2*- weighted images consecutively while the subject is at rest or performing a task, and detecting the signal increase related to the local reduction of deoxyhemoglobin concentration accompanying the functional activation relative to baseline.

OTHER CLINICAL APPLICATIONS OF CVR MAPPING

While CVR is considered a sensitive indicator for assessing the brain’s ability to dynamically adjust its energy supply, the clinical applications of CVR mapping (aside from presurgical mapping) are yet to reach their full potential, mainly due to technical constraints. In recent years, with the development of various advanced approaches, viable clinical applications of CVR mapping have emerged.

CVR mapping in cerebrovascular disease is emerging as a promising tool for clinicians involved in the evaluation of patients at risk for stroke. A few studies have been reported using hypercapnia induced BOLD MRI signal response to probe CVR in patients with arterial steno-occlusive diseases such as carotid artery stenosis[55,71,72]. For example, a patient with right middle cerebral artery occlusion and Moyamoya phenomenon secondary to aplastic anemia showed paradoxical CVR values in the right middle cerebral artery territory in the cortex[55].

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

نقشه برداری راکتیویته مغزی برای برنامه ریزی پیش از جراحی تومور مغزی

Cerebrovascular reactivity mapping for brain tumor presurgical planning

تغییرات سیگنال وابسته به سطح اکسیداسیون خون قبل از پاسخ های منفی در الکتروانسفالوگرافی همزمان و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی در بیماران دارای صرع کانونی

BOLD signal changes preceding negative responses in EEG-fMRI in patients with focal epilepsy

خلاصه

مواد و روش ها

تجزیه و تحلیل EEG

تجزیه و تحلیل fMRI برای تغییرات سیگنال اولیه BOLD

محاسبه HRF

نتایج

بحث

نتیجه گیری

منابع

چکیده

هدف: در الکتروانسفالوگرافی همزمان (EEG) و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی (fMRI)، افزایش فعالیت عصبی اسپایک های صرعی به طور معمول باعث پاسخ مثبت وابسته به سطح اکسیداسیون خون (BOLD) می شود. پاسخ منفی نیز گاهی دیده می شود و توضیحی راجع به آن داده نشده است. مطالعات اخیر تغییرات سیگنال BOLD قبل از جهشهای کانونی EEG را توصیف میکند. هدف ما مطالعه سیستماتیک این مساله است که آیا عدم پاسخ مثبت قبلی ممکن است BOLD منفی کانونی را توضیح دهد.
روشها: 82 بيمار مبتلا به صرع کانوني که تحت درمان با EEG-fMRI در 3T قرار داشتند،بصورت گذشته نگرانه تحت مطالعه و بررسی قرار گرفتند. مطالعات مربوط به پاسخ منفی کانونی BOLD در ناحیه میدانی اسپایک با استفاده از مدل هایی با عملکرد پاسخ همودینامیک (HRF)مجددا مورد تجزیه وتحلیل قرار گرفتند که از 9 تا 9+ ثانیه در میدان اسپایک متغیر است.
يافته ها: هشت بيمار معيارهاي ورود به مطالعه را دارا بودند و پاسخ هاي BOLD منفي را در حوزه میدان در تجزيه و تحليل استاندارد نشان دادند. هیچ کدام دارای پاسخ های مثبت BOLD بلافاصله در مجاورت مناطق غیرفعال نبودند. مناطق غیر فعال دو مورد مشابه پاسخ مثبت پیشین را د ارا بودند. این فعال سازی اولیه در نقشه های ترکیبی از 5 تا 9 ثانیه مشاهده شد. بحث: این مطالعه نشان می دهد که در بخش کوچکی از بیماران مبتلا به صرع کانونی که در آن تجزیه و تحلیل استاندارد پاسخ های منفی کانونی را نشان می دهد، علت آن پاسخ مثبت اولیه BOLD است. منبع سیگنال BOLD منفی در نتیجه یک رویداد صرعی تغییر می کند با این حال، در بسیاری از بیمارانی که با آن مواجهند بدون توضیح باقی مانده است.

نتیجه گیری

غیر فعال سازی لوب خودکار EEG-fMRI مطابق با میدان اسپایک پدیده ای غیر معمول، اما سازگار در بزرگسالان مبتلا به صرع کانونی است. این ها با یک پاسخ مثبت پیشین در تنها یک مورد از موارد توضیح داده می شوند. در باقی موارد، توضیح مشخصی ارائه نشده است. با این حال اکتشافات اخیر مربوط به متابولیسم عصبی و انرژی، نشان می دهد که این پاسخ های منفی BOLD پیچیده تر است و نباید صرفا یک شاخص سرکوب عصبی باشد. مطالعات بیشتر با استفاده از اندازه گیری جریان خون و EEG داخل جمجمه در این مناطق ممکن است درک ما از این پدیده را بیشتر کند.

SUMMARY

Purpose: In simultaneous electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), increased neuronal activity from epileptiform spikes commonly elicits positive blood oxygenation level–dependent (BOLD) responses. Negative responses are also occasionally seen and have not been explained. Recent studies describe BOLD signal changes before focal EEG spikes. We aimed to systematically study if the undershoot of a preceding positive response might explain the negative BOLD seen in the focus.
Methods: Eighty-two patients with focal epilepsy who underwent EEG-fMRI at 3T were retrospectively studied. Studies with a focal negative BOLD response in the region of the spike field were reanalyzed using models with hemodynamic response functions (HRFs) peaking from )9 to +9 s around the spike.
Results: Eight patients met the inclusion criteria, showing negative BOLD responses in the spike field on standard analysis. None had positive BOLD responses immediately adjacent to the areas of deactivation. Regions of deactivation were found to have congruent preceding positive responses in two cases. These early activations were seen at the combined maps of )5 to )9 s.
Discussion: This study indicates that in a small proportion of patients with focal epilepsy in whom the standard analysis reveals focal negative responses, an earlier positive BOLD response is probably the cause. The origin of negative BOLD signal changes in the focus as a result of an epileptic event remains, however, unexplained in most of the patients in whom it occurs.

Conclusion

Focal EEG-fMRI deactivations concordant to the spike fields are an uncommon but consistent phenomenon in adults with focal epilepsy. These are explained by a preceding positive response in only a minority of cases. For the remainder, the explanation remains uncertain. However, recent discoveries related to neuronal metabolism and energetics suggest that these negative BOLD responses are more complex and should not be assumed to be simply an indicator of neuronal suppression. Further studies incorporating blood flow measurements and intracranial EEG within these regions may further our understanding of this phenomenon.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تغییرات سیگنال وابسته به سطح اکسیداسیون خون قبل از پاسخ های منفی در الکتروانسفالوگرافی همزمان و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی در بیماران دارای صرع کانونی

BOLD signal changes preceding negative responses in EEG-fMRI in patients with focal epilepsy

تاثیر مدل پاسخ ضربه محدود در بازیابی تصویر FMRI براساس محتوا

Effectiveness of the Finite Impulse Response Model in Content-Based fMRI Image Retrieval

کنفرانس بین المللی محاسبات تصویر پزشکی و مداخله به کمک رایانه 

International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention

چکیده

1 معرفی

2 روش

1-2 طرح های انتخاب ویژگی بر اساس GLM

2-2 مدل پاسخ ضربه محدود(FIR)

3-2 مدل FIR برای وضعیت‌های چندگانه همزمان

3 نتایج

4 نتیجه گیری و بحث

چکیده

نقشه تی آستانه‌ای تولید‌شده توسط مدل خطی عمومی (GLM) خلاصه‌ای موثر از الگوهای فعال‌ساز در تصاویر مغزی کاربردی را ارئه می‌دهد و به طور گسترده برای انتخاب‌های آینده در FMRI مربوط به امور طبقه بندی استفاده می‌شود. به عنوان قسمتی از پروژه ساخت سیستم‌های بازیابی‌محتوایی برای تصاویر FMRI، روش هایی را بررسی کرده‌ایم که بتوانند GLM را سازگارتر و قویتر در مواجه با داده‌های FMRI به دست آمده از آزمایش‌های مختلف بکند. در این مقاله ما گزارشی از شناسایی مدل پاسخ ضربه محدود، که با رگرسیون خطی چندگانه ترکیب شده است، را برای شناسایی بهترین تابع پاسخ همودینامیک از نظر محل قرار گیری برای هر واکسل (HRF)، و تخمین همزمان سطوح فعال‌سازی متناظر با حالت‌های محرک متفاوت، ارائه می‌دهیم. هدف توسعه روشی برای پردازش داده‌هایی با ماهیت‌های متفاوت است. آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که مدلهای پاسخ ضربه محدود (FIR) با ضرایب صاف شده عملکرد بازیابی بهتری را نسبت به روش گاما دوگانه استاندارد از نظر درستی بازیابی تولید می کند.

1 مقدمه

به عنوان روشی برای پاسخ به این پرسش که “مغز چگونه کار می‌کند” ، FMRI تبدیل به ابزار تحقیق قدرتمندی در بسیاری از زمینه‌های مطالعات علوم اعصاب در دهه های گذشته شده است [1]. اخیرا، طبقه‌بندی تصاویر FMRI، براساس تشابه بین الگوهای فعال‌سازی، تحول امیدوارکننده‌ای برای تشخیص بالینی را نشان می‌دهد[2,3,4]. این روشها معمولا ویژگی‌هایی (که باید گفت، واکسل‌ها یا محل‌هایی در مغز و سطوح فعال‌سازی آنها) و سلسله‌مدل‌هایی را برای تمیز دادن موارد غیر معمول از موارد اصطلاحا معمول انتخاب می‌کند.

4-نتیجه گیری و بحث

نتایج این مطالعه به این صورت است: تائید یک فرضیه(فرضیه اول)، و رد کردن دیگری. مخصوصا ، مدلFIR، با هموارسازیMAP که به نظر می‌رسد برای تشریح تغییرات در مغز و آناتومی خون‌رسانی راه واقعی‌تری است و همچنین عملکرد به مراتب بهتریدر بازیابی ارائه می‌دهد. این موضوع نشان می‌دهد که ممکن است ارزش این را داشته باشد که آنالیز FIR را هنگام آماده‌ساری داده برای بازیابی در آزمایش‌های متفاوت و در آزمایشگاه های متفاوت استفاده کنیم.

Abstract

The thresholded t-map produced by the General Linear Model (GLM) gives an effective summary of activation patterns in functional brain images and is widely used for feature selection in fMRI related classification tasks. As part of a project to build content-based retrieval systems for fMRI images, we have investigated ways to make GLM more adaptive and more robust in dealing with fMRI data from widely differing experiments. In this paper we report on exploration of the Finite Impulse Response model, combined with multiple linear regression, to identify the “locally best Hemodynamic Response Function (HRF) for each voxel” and to simultaneously estimate activation levels corresponding to several stimulus conditions. The goal is to develop a procedure for processing datasets of varying natures. Our experiments show that Finite Impulse Response (FIR) models with a smoothing factor produce better retrieval performance than does the canonical double gamma HRF in terms of retrieval accuracy.

1 Introduction

As a method for watching “how the brain works”, fMRI has become a powerful research tool in many aspects of neuroscience studies in the past decade [1]. More recently, classification of fMRI images, based on similarity between activation patterns, shows promising transition to clinical diagnosis [2,3,4]. These methods usually select features (that is to say, voxels or areas in the brain and their activation levels) and train models to best distinguish uncommon cases from so-called “typical” ones.

4 Conclusions and Discussions

The results of this study are: confirmation of one hypothesis (H1) , and some tantalizing clues regarding the other. Specifically, the FIR model, with MAP smoothing, which seems to be a more realistic way to describe the variations, across the brain, in the anatomy supplying blood, does also yield significantly better performance in the retrieval setting. This suggest that it may be worth the added effort to use smoothed FIR analysis when preparing data for retrieval across different experiments, and different laboratories.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تاثیر مدل پاسخ ضربه محدود در بازیابی تصویر FMRI براساس محتوا

Effectiveness of the Finite Impulse Response Model in Content-Based fMRI Image Retrieval

برنامه ریزی پیش از جراحی برای برداشتن تومور

Presurgical Planning for Tumor Resectioning

1- اولین هدف اف‌ام‌آر‌آی قبل از جراحی: ارزیابی امکان سنجی درمان جراحی تومورهای مغزی
2- استفاده از نشانه‌های آناتومیک برای تشخیص موقعیت نواحی عملکردی
3- تشخیص نواحی الوکوئنت از لحاظ پاتولوژیکی تغییر شکل یافته در مغز با استفاده از اف‌ام‌آر‌آی
4- جابجایی کارکرد (انعطاف پذیری)
5- هدف دوم اف‌ام‌آر‌آی قبل از جراحی: انتخاب بیماران برای تحریک کورتیکال حین عمل (ICS)
6- هدف سوم اف‌ام‌آر‌آی پیش از جراحی: هدایت عصبی عملکردی
7- پیش‌بینی‌های احتیاطی اف‌ام‌ار‌آی در موقعیت بالینی ارزیابی قبل از جراحی
8- میزان موفقیت تکنیکی اف‌ام‌آر‌آی قبل از جراحی
9- تاثیر تومورها بر کاهش سیگنال اف‌ام‌ار‌آی بولد یا عدم فعال‌سازی اف‌ام‌ار‌ای
10- حذف تصادفی سیگنال در تصاویر GE-EPI
11- نقشه راهی به سوی پذیرش بالینی اف‌ام‌ار‌آی قیل از جراحی
12- باز کردن نواحی مغز ضروری در مقابل مصرفی
13- مغز از ماده خاکستری و سفید تشکیل شده است
14- نیاز به استاندارد‌سازی الگوها
15- به سوی پس- پردازش‌های آماری استاندارد
16- نیاز به یک آموزش مشارکتی فعال و عملی
17- نتیجه‌گیری

از زمان پیدایش تصویر برداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI)- یک ابزار غیر تهاجمی قادر به تصویر سازی عملکرد مغز- یعنی 15 سال پیش از اکنون، برنامه‌های کاربردی بالینی بسیاری پدید آمده‌اند. اف‌ام‌آر‌آی جفت عصبی عروقی بین فعالیت الکتریکی عصبی و فیزیولوژی عروق مغزی را دنبال می‌کند، و منجر به سه اثر می‌شود که می‌تواند به سیگنال اف‌ام‌آر‌آی کمک کند: افزایش در سرعت جریان خون، حجم خون و در سطح اکسیژن خون. تاثیر آخری، از لحاظ فنی، اف‌ام‌آر‌آی وابسته به میزان اکسیژن خون (BOLD) نام دارد. یکی از کاربردهای بالینی اصلی، اف‌ام‌آر‌آی پیش از جراحی در بیماران مبتلا به نا‌هنجاری‌های مغزی است. اهداف اف‌ام‌آر‌آی قبل از جراحی سه‌گانه است: 1) ارزیابی خطر نقص عصبی در پی یک روش جراحی، 2) انتخاب بیماران برای نگاشت حین عمل تهاجمی و 3) هدایت خود روند عمل جراحی. این موارد در اینجا مورد بررسی قرار گرفته‌اند. متاسفانه، آزمایشات تصادفی یا مطالعات نتایج که بطور قطعی نشان دهنده‌ی مزایای نتیجه‌ی نهایی بیماری باشند، که پیش از جراحی مورد اف‌ام‌آر‌آی قرار گرفته است، هنوز عملی نشده‌اند. بنابراین، اف‌ام‌آر‌آی هنوز به وضعیت پذیرش بالینی نرسیده است. هدف نهایی این مقاله، تعریف نقشه‌ی راهی برای تحقیقات و پیشرفت‌های آتی به منظور رساندن اف‌ام‌آر‌آی قبل از جراحی به وضعیت اعتبار و پذیرش بالینی است.

هدف از درمان جراحی تومورهای مغزی برداشتن کامل نا‌هنجاری در حینی است که خطر ایجاد اختلالات عصبی (دائمی) به حداقل برسد. برداشتن تومورهای مغزی اولیه بقا، کارایی عملکردی و اثر درمان‌های کمکی را بهبود می‌بخشد، در صورتی که بتوان از اختلالات عصبی ناشی از جراحی بتواند اجتناب کرد (1). بنابراین، حاشیه‌ی مفروض رزکسیون جراحی نباید نواحی عملکردی کورتیال الوکوئنت را مختل کند. نگاشت این نواحی بطور مرسوم توسط روش‌های تهاجمی به دست می‌آید: مانند تحریک غشایی حین عمل (ICS) در بیمار هوشیار، القای یک شبکه‌ی ساب دورال با نگاشت تحریک خارج از عمل یا ثبت‌های بالقوه‌ی حسی برانگیخته‌ از عمل. با وجود اینکه این تکنیک‌ها دقیق هستند، ولی انجام آنها دشوار است، فشار زیادی به بیمار هوشیار وارد می‌کنند و اغلب نیاز به یک کراتیونومی بزرگتر از اندازه‌ی لازم برای برداشتن تومور دارند. یکی دیگر از معایب بزرگ این تکنیک این است که، خود یک روش جراحی نیاز دارد که از قبل هر اطلاعات کارکردی را که می‌تواند بدست بیاورد.

نتیجه‌گیری

در نتیجه اف‌ام‌ار‌آی قبل از جراحی در بیماران مبتلا به تومورهای مغزی یک برنامه کاربردی بالینی نوید‌بخش با ارزش مضاعف است. در آموزش عملی خوب، و تشخیص محدودیت‌های آن -مخصوصا فقدان تمایز بین نواحی ضروری و مصرفی مغز، و کاهش یا عدم حضور سیگنال اف‌ام‌آر‌آی که به قولی در بعضی از بیماران اتفاق می‌افتد- امکان ارزیابی خطر مداخلات درمانی، انتخاب بیماران برای نگاشت حین عمل و هدایت خود عمل جراحی را می‌دهد. اگرچه، اف‌ام‌ار‌آی هنوز به وضعیت پذیرش بالینی نرسیده است. ترکیب اف‌ام‌ار‌آی پیش از جراحی با سایر روش‌ها مانند DTI و TMS باید آن را در آینده‌ای نزدیک به وضعیت پذیرش بالینی نائل کند.

Since the birth of functional magnetic resonance imaging (fMRI)—a noninvasive tool able to visualize brain function—now 15 years ago, several clinical applications have emerged. fMRI follows from the neurovascular coupling between neuronal electrical activity and cerebrovascular physiology that leads to three effects that can contribute to the fMRI signal: an increase in the blood flow velocity, in the blood volume and in the blood oxygenation level. The latter effect, gave the technique the name blood oxygenation level dependent (BOLD) fMRI. One of the major clinical uses is presurgical fMRI in patients with brain abnormalities. The goals of presurgical fMRI are threefold: 1) assessing the risk of neurological deficit that follows a surgical procedure, 2) selecting patients for invasive intraoperative mapping, and 3) guiding of the surgical procedure itself. These are reviewed here. Unfortunately, randomized trials or outcome studies that definitively show benefits to the final outcome of the patient when applying fMRI presurgically have not been performed. Therefore, fMRI has not yet reached the status of clinical acceptance. The final purpose of this article is to define a roadmap of future research and developments in order to tilt pre-surgical fMRI to the status of clinical validity and acceptance.

THE GOAL OF SURGICAL TREATMENT of brain tumors is the complete removal of the abnormality, while minimizing the risk of inducing (permanent) neurological deficits. Resection of primary brain tumors improves survival, functional performance, and the effectiveness of adjuvant therapies, provided that surgicallyinduced neurological deficits can be avoided (1). Therefore, the proposed margin of the surgical resection should not violate functionally eloquent cortical areas. Mapping of these areas is traditionally achieved by invasive methods such as intraoperative cortical stimulation (ICS) in the awake patient, implantation of a subdural grid with extraoperative stimulation mapping, or operative sensory-evoked potential recordings. While accurate, these techniques are rather difficult to perform, place great stress on the awake patient, and often require a larger craniotomy than necessary for the removal of the tumor. Another major disadvantage of these techniques is that a surgical procedure itself is required before any functional information can be obtained. As a result, important patient management decisions must be made without complete knowledge of the anatomic relationship between the lesion borders and functionally eloquent cortex.

CONCLUSIONS

In conclusion, presurgical fMRI in patients with brain tumors is a promising clinical application with added value. In well-trained hands, and realizing its limitations— especially the lack of differentiating essential from expendable brain areas, and reduced or absent fMRI signal that anecdotally occurs in some patients—it allows assessment of the risk of therapeutic interventions, selection of patients for intraoperative mapping, and guides brain surgery itself. However, fMRI has not yet reached the status of clinical acceptance. Combining presurgical fMRI with other techniques such as DTI and TMS should give it that status in the near future.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

برنامه ریزی پیش از جراحی برای برداشتن تومور

Presurgical Planning for Tumor Resectioning

در رابطه با تعریف نسبت سیگنال به نویز و نسبت کنتراست به نویز مربوط به داده های fMRI

On the Definition of Signal-To-Noise Ratio and Contrast-To-Noise Ratio for fMRI Data

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

در تعریف نسبت سیگنال به نویز و نسبت کنتراست به نویز برای داده های اف‌ام‌آرآی

On the Definition of Signal-To-Noise Ratio and Contrast-To-Noise Ratio for fMRI Data

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

بررسی نشانگرهای زیستی تصویربرداری عصبی بیماری آلزایمر

A review of neuroimaging biomarkers of Alzheimer’s disease

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بررسی بیومارکرهای تصویربرداری عصبی بیماری آلزایمر

A review of neuroimaging biomarkers of Alzheimer’s disease

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

ترکیب EEG و fMRI در مطالعه تخلیه عصبی در حملات صرع

Combining EEG and fMRI in the study of epileptic discharges

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

ترکیب EEG و fMRI در بررسی تخلیه عصبی در حملات صرع

Combining EEG and fMRI in the study of epileptic discharges

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

ارتباطات عملکردی در fMRI در حالت استراحت: آیا همبستگی خطی کافی است؟

Functional connectivity in resting-state fMRI: Is linear correlation sufficient?

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

ارتباطات عملکردی در fMRI در حالت استراحت: آیا همبستگی خطی کافی است؟

Functional connectivity in resting-state fMRI: Is linear correlation sufficient?

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.