Bold-fMRI (血中酸素濃度依存性機能的磁気共鳴画像法) の原理
医療画像関連の業務の設計上、基本的な知識を修正する必要があり、必ず忘れてしまうので、復習のためにここに記録してください。
磁気共鳴画像法 (MRI)
スピンイメージングまたは磁気共鳴イメージング (略して MRI) としても知られる核磁気共鳴イメージングは、材料内部のさまざまな構造環境における放出エネルギーのさまざまな減衰に応じて、核磁気共鳴 (NMR) の原理を使用します。傾斜磁場検出により放射される電磁波を加えることで、物体を構成する原子核の位置や種類が分かり、物体の内部構造画像を描画することができます。
磁気共鳴の仕組みの背後にある基本原理は、次の 2 つの重要な要素にあります。
- 磁場、つまり磁気共鳴装置によって生成される強力な磁場、静磁場（水素原子核を巨視的な磁気モーメント0に揃えるために使用）+傾斜磁場（任意の位置を測定できる）。
- 人体の大部分は水素原子を多く含む水であるため、核は人体の組織や器官の細胞にある水素原子核です。
磁気共鳴の動作原理は、単純に、検査対象の組織細胞内の水素原子核が強い高周波磁場の作用下で共鳴するというものです。H 陽子がエネルギーを吸収し、縦磁化が減少し、横磁化が生成されます。このプロセスにより MR が生成されます。高周波パルスが除去されると、陽子は元の位置に戻ります。組織ごとに陽子の回復時間は異なるため、MRI 信号強度は陽子密度、T1 緩和時間、T2 緩和時間、拡散効果、磁化感度効果、体内の体液の流れなどの多くの要因の影響を受けます。この現象は磁気共鳴装置によって記録され、装置内の高エネルギー電子コンピューターがデータを再構築し、形成された磁気共鳴画像が臨床診断に使用されます。
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血中酸素濃度依存性機能的磁気共鳴画像法 (Bold-fMRI)
造影剤の種類に応じて、MRI 検査方法には、従来の MRI 検査、拡散イメージング (DWI)、拡散テンソル イメージング (DTI)、灌流強調イメージング (PWI)、血中酸素濃度依存性脳機能イメージング (BOLD-fMRI) も含まれます。。そのうち、BOLD-fMRI は、神経代謝の課題誘発性または自発的調節による脱酸素ヘモグロビン濃度の変化を描写します。
「課題誘発」と「自発的調節」をどう理解するか？ここに例があります:
被験者が MRI 内に横たわり、顔の視覚刺激を観察しているとき、顔を処理する脳領域が活動状態にあると想像します。このとき、顕微鏡レベルでは、神経の電気活動が増加し、エネルギー消費と酸素消費が増加します。これにより、この脳領域への血流供給が大幅に増加し、脳の酸素代謝率（CMRO2）のアップレギュレーションに影響を与えます。この脳領域で。
エネルギー生成プロセスにより毛細血管に隣接する組織の局所酸素貯蔵量が瞬時に枯渇すると、老廃物が蓄積し、これらの血管を拡張させる血管運動反応を引き起こします。脳血流（CBF）が増加し、酸素供給が酸素消費を上回るようになります。したがって、ニューロンが活性化されると、この脳領域における脱酸素ヘモグロビン (Hb) に対する酸化ヘモグロビン (HbO2) の比率が増加します。(下の図に示すように、これは非常に重要です)。局所組織の酸素化におけるこの大きなリバウンドは、イメージングの基礎でもあります。
酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの比率を逆転させると、なぜイメージングに役立つのでしょうか?
fMRI は、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの常磁性特性の基本的な違いにより、この変化を検出できます。研究によると、これら 2 つの物質の磁化の程度は異なります。酸化ヘモグロビンは反磁性ですが、脱酸素ヘモグロビンは常磁性物質であり、局所的な磁場勾配を形成し、これらの異なる物質内の水素陽子が異なる磁場を感じるようになります。これにより、磁場の不均一性が生じ、H 陽子の局所的なディフェーズが促進されます。スピン H プロトンのディフェーズ速度によって、横緩和時間 (T2) の長さが決まります。
T2が長い→横磁化ベクトルがゆっくり消える→MR信号が高い→画像が明るくなる。
これまでのところ、特定の脳領域が興奮して活性化すると、酸素化ヘモグロビンが脱酸素化ヘモグロビンよりもはるかに高くなり、H 陽子のディフェーズ速度が遅くなり、T2 が延長されるため、T2 強調イメージング シーケンスのみを使用できることがわかっています。変化を検出し、それによって脳機能の活動を局所的に特定します。したがって、私たちがよく聞く機能イメージは、実際には T2 イメージを指します。
したがって、fMRI はニューロンの電気活動を直接測定するのではなく、神経活動の間接的な結果(血行力学的反応) を測定します。短い外因性刺激に対する局所的な BOLD 応答は、血行動態応答関数 (HRF 、以下に示す)と呼ばれます。
BOLD 反応は、刺激に対する約 5 ～ 8 秒の潜伏期間後にピークに達しますが、ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの比率が一時的に増加し、MR 信号が増強されるため、ベースラインに戻るまでに同じ時間がかかります。しかし、このことから、神経活動はミリ秒レベルであるにもかかわらず、HRF応答が非常に遅いこともわかります。これは、空間分解能は高いが時間分解能が低いというfMRIの特性も反映しています。EEG は、時間分解能が高く、空間分解能が低いという特徴があります。したがって、誰もが自分の研究目的に応じて適切な研究方法を選択することができます。