Funkcionális közeli infravörös spektroszkópia

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A funkcionális közeli infravörös spektroszkópia (NIRS, fNIR) egy olyan funkcionális képalkotó eljárás, amely a közeli tartományba eső infravörös fényt használva (800-2500 nm) az egyes agyi régiók aktivitásmintázatához köthető helyi vérátáramlás-változás vizsgálatát teszi lehetővé.

Háttér[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A mindennapos gyakorlatban az agyi aktivitást, az aktív energiametabolizmus következtében megfigyelhető vérátáramlás-változást, s így a hemoglobin-koncentráció változását a neuronok tüzelési mintázatán keresztül nyomon követhetjük. Ahol az anyagcsere mértéke növekedést mutat, ott a szöveti vérátáramlás is magasabb, ahol az anyagcsere mérséklődik, ott ez a változás a vértátáramlás mértékében is megmutatkozik. Az aktív idegsejtek oxigént használnak fel, melyet a vörösvértestben található hemoglobin szállít. Az intenzívebb oxigén-felhasználást egy felerősödött vérátáramlás követ, 1,5 másodperces késéssel. Ez a hemodinamikus válasz 4-5 másodpercnél csúcsosodik, majd a tetőfok elérését követően alapszintre, illetve egy rövid ideig az alá esik vissza. S mindezt az oxy-hemoglobin és a deoxy-hemoglobin koncentráció-változása, illetve az adott agyterület vérmennyiség- és vérátáramlás-változása révén követni tudjuk.[1]

Az eljárás során különböző energiájú fény besugárzásával az atomok rezgésbe hozhatók, s a gerjesztett fény bizonyos frekvenciái szóródnak, elnyelődnek, míg mások áthatolnak az anyagon. A közeli infravörös spekroszkópia fénye könnyen áthatol a bőrön, a lágy szöveteken és a csonton egyaránt, a fényt egyedül a hemoglobin és az aa3-as típusú citokróm-oxidáz nyeli el.

A vizsgálóeljárás a molekulák gerjesztése szempontjából kevésbé hatékony közeli infravörös fényt használja (800-2500 nm), amely az agyszöveten át tud hatolni, ugyanis a molekulákra nézve ideális infravörös (2500-25000 nm) tartományba eső hullám agyunk víztartalma miatt erre nem lenne képes. A közeli infravörös fényelnyelődése a vér hemodinamikus változásának függvényében fluktuál, így az agy felső rétegeiben nyomon követhető az adott terület vérellátottsága, s így intravaszkulárisan a relatív oxy-hemoglobin és deoxy-hemoglobin koncentrációja, valamint intracellulárisan az aa3-as típusú citrokrómoxidáz-szint változása.[2] A NIRS működési elve a Bouguer-Lambert-Beer törvényre támaszkodik, amely a fény abszorpciója és a közeg tulajdonságai között teremt kapcsolatot.[3]

Történet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A közeli infravörös energia 19. századi felfedezése Herschel nevéhez fűződik, míg az első ipari alkalmazása az 1950-es évekre tehető. Kezdetben a NIRS csak más optikai eszközök tartozéka volt, amelyek ultraviola, látható és közép-infravörös fénysugarakat használtak.

Az NIRS alapelmélete 1977-ből származik és Jobsis nevéhez köthető. Jobsis ezt a non-invazív eljárást élő anyagokon alkalmazta, s megfigyelte, hogy 760 nm-es fénysugár egy részét a deoxy-hemoglobin molekula elnyeli, míg az oxy-hemoglobin nem. Erre támaszkodva elsőként vetette fel az oxigénellátottság NIRS-szel történő monitorozásának lehetőségét, vizsgálóeljárása photon-CT néven vált ismertté.[4] Mancini és mtsai humán kísérletek nyomán – a vázizomzat változásait vizsgálták a felkar mozgatásával – validálták a NIRS használatát.[5] A p-CT használata gyermekek vizsgálatára hatékonynak bizonyult, azonban a felnőttek esetén – a koponya átvilágítása során adódó nehézségek miatt – nem volt teljesen megfelelő, így módosításra volt szükség.[6] Az eredeti NIRS működési elvén 1991-ben Kato módosított, s máig ez a verzió maradt forgalomban, s ezzel az új módszerrel már a felnőttek vizsgálata is elérhetővé vált. A NIRS működése az azt megelőző szintén fotonokkal dolgozó p-CT működési elvétől nagyban különbözik: míg a p-CT működése a mindenen áthatoló egyenes fénynyalábokon alapult, addig a NIRS szóródó-visszaverődő fénynyalábokat használ. Az agy oxigenizációjának monitorozása, a térbeli és időbeli funkciók vizsgálata ezáltal elérhetővé vált.[7]

Alkalmazás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A lézerdiódák 2 milliwattos fénnyel világítják meg az agykérget 3 cm mélyen, s a fény részint a vér hemoglobin molekuláin elnyelődik, részint a skalpon keresztül azonnal visszaverődik.[7] A visszaverődött sugarak minden 0,1 másodpercben mérhetők, s a későbbi mérési adatokból az azt megelőzők kivonhatók, ezáltal a hemoglobin-koncentráció változása tisztán követhető. A visszavert fénysugár intenzitása a kétféle hemoglobin molekula (oxy- és dezoxy-hemoglobin) arányának függvénye. Kétféle 695 nm-es és 830 nm-es fénysugarakat használnak a kétféle molekula vizsgálatára, s ezáltal változásuk egymástól elkülönítve is vizsgálható.[5] A szükséges spektrális vonalszélesség elegendő ahhoz, hogy pontosan meghatározható és elkülöníthető legyen a két eredmény. Az anyagcsere vaszkuláris válasza a kétféle molekula esetén eltérő, míg a dezoxy-hemoglobin intenzívebb csökkenést mutat, addig az oxyhemoglobin-szint enyhébb emelkedése figyelhető meg.

A közeli infravörös spektroszkópia, vagy más néven az optikus topográfia (mely többek között ETG-400, Somanetics IVOX 3100, Somanetics IVOS 4100 néven van forgalomban)[8] 780 nm-es és 830 nm-es fénysugarat bocsát ki. A szabályozott fénysugarakat az alany koponyájába irányítja, majd rögzíti a skalpra visszaverődő válaszokat. Ahhoz, hogy a hemoglobin koncentráció nyomon követhető legyen, szükséges az adat pontos lokalizálása. A lézerdiódák egy 30 mm-es négyzet alakú rácson vannak elhelyezve. Minden megvilágítási pontot a visszaverődött fénysugarakat detektáló pontok ölelik körül. A megvilágítási és a visszaverődési pont között félúton a mérési pontok helyezkednek el. Ezeken a mérési pontokon az oxy- és deoxyhemoglobin-változás egyaránt vizsgálható. Rendszerint 8 megvilágítási és 8 visszaverődési pont 24 mérési pont vizsgálatát teszi lehetővé. Két detektor elhelyezkedése és a vizsgált terület idői válasza határozza meg minden foton funkcionális pixeljét. Az optikus topográfia a mérési pontok optikai szignáljait elektronikus jelekké transzformálja, majd elemzi az adatokat, s végül megjeleníti azokat.[9] Az adatok statisztikai elemzésében a NIRS SPM egy SPM5 és MATLAB alapú szoftver szolgál segítségül. A féltelék vizsgálatára pedig egyidejűleg is, két párhuzamos háló használatával adott a lehetőség.[10]

Elhelyezés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Míg a NIRS téri felbontása viszonylag pontatlan, összevetve a jóval szélesebb körben alkalmazott fMRI és PET technikákkal, illetve a TMS-hez hasonlóan mindössze a kérgi terültetek tanulmányozására alkalmas, addig idői felbontása jó (0,1s), s ezáltal valós idejű vizsgálatot tesz lehetővé.[11]

Ez az eljárás a kapillárisokban - az fMRI-vel ellentétben nem a vénákban - mérhető agyi mikrokeringést vizsgálja. A NIRS a FORCE jelet, vagyis a kapillárisokban mérhető gyors oxigénszint-változást méri, amely szorosan kapcsolódik a neuronális válaszhoz. Fontos különbséget tenni a FORCE jel, az elsődleges és a másodlagos watering-the-garden-effect között. Míg a FORCE jel esetén a vaszkuláris válasz az aktivált kapilláriságyban gyorsan rendeződik, addig a válasz a venulláknál és a vénáknál lassú, hiszen a környező régiók felől egy folyamatos véráramlás figyelhető meg, s ez (elsődleges) watering-the-garden-effectként ismert.[12] Ezáltal a kapilláriságyban a stimulus frekvenciája a vaszkuláris választól függ, amely a vénák és venullák vérátáramlásától jelentősen különbözhet.[13]

A vénákban történő passzív változások kimutatására - amelyre másodlagos watering-the-garden-effect-ként hivatkoznak - a T2* súlyozású fMRI alkalmas, amely azonban a kapillárisokban történő hemodinamikus változást (a FORCE jelet) nem mutatja. A különbség abban is tetten érhető, hogy míg a vénákban a vér mennyiségének növekedése nem befolyásolja a konstans hematokrit számot, addig a kapillárisok esetén, a vérmennyiség növekedésével a vörösvérsejtszám gyarapodása mellett a hematokritok száma is emelkedik. Ekképp a FORCE jel egy jó adat az aktivitás a másodlagos watering-the-garden effecttől való elkülönített megfigyelésére.

Míg az EEG és a MEG a neuronális választ vizsgálja, addig a NIRS-szel a kapillárisokban végbemenő gyors oxigén-felhasználás valamint oxigénszint-változás, emellett a(z elsődleges) watering-the-garden-effect néven említett aktív oxigénszállítás követhető. A watering-the-garden-effect kimutatására a PET is megfelelő, mely az fMRI-hez hasonlóan a másodlagos, passzív watering-the-garden-effect megjelenítésére ugyancsak alkalmas.[6]

A NIRS egy non-invazív eljárás, amelyet a klinikai használatban könnyű hordozhatósága ugyancsak vonzóvá tesz. A NIRS a fejre helyezett fényforrás és érzékelők segítségével a szabadon mozgó alanyon is alkalmazható, ezáltal a csecsemők vagy a fekvőbetegek vizsgálatát jelentősen megkönnyíti. Alkalmazása a neurológia, a kardiológia és a kognitív pszichológia területén számottevő. Használata ugyancsak gyakori stroke rehabilitáció illetve súlyos fejsérülések és szívműtétek esetén.[11]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Matthews, F., Pearlmutter, B., A., Ward, T., E., Soraghan, C., & Markham, C. (2009). Hemodynamics for Brain-Computer Interfaces: Optical correlates of control signals. IEEE Signal Processing Magazine 25(1), 87-94.
  2. Soul, J., S. & Plessis, A., D. (1999). Near infrared spectroscopy. Seminas in Pediatric Neurology. 6 (2), 101-110.
  3. Stephen, M., C. (2007). Near-Infrared Spectroscopy: Potential Clinical Benefits in Surgery. Journal of the American College of Surgeons, 205(2)
  4. Kato, T. (2004). Principle and technique of NIRS-Imaging for human brain FORCE: fast-oxygen response in capillary event. International Congress Series. 1270, 85-90.
  5. ^ a b Stephen, M., C. (2007). i.m.
  6. ^ a b Kato, T. (2004). i.m.
  7. ^ a b Uo.
  8. Soul, J., S. & Plessis, A., D. (1999). i.m.;
    optikus topográfia, NIRS
  9. Optikus topográfia
  10. Matthews, F., Pearlmutter, B., A., Ward, T., E., Soraghan, C., & Markham, C. (2009). i.m.
  11. ^ a b Soul, J., S. & Plessis, A., D. (1999). i.m.
  12. Matthews, F., Pearlmutter, B., A., Ward, T., E., Soraghan, C., & Markham, C. (2009). i.m.;
    Turner, R.,& Ordidge, R., J. (2000). Technical challenges of functional magnetic resonance imaging, Engineering in Medicine and Biology Magazin 19, 42–54.
  13. Kida, I. & Yamamoto, T. (2008). Stimulus frequency dependence of blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging signals in the somatosensory cortex of rats. Neuroscience Research, 62 (1), 25-31.
  • Gulyás, B. (1999). Az emberi agy tevékenységének feltérképezése PET-tel. Magyar Tudomány, 10.?
  • Kato, T. (2004). Principle and technique of NIRS-Imaging for human brain FORCE: fast-oxygen response in capillary event. International Congress Series. 1270, 85-90.
  • Kida, I. & Yamamoto, T. (2008). Stimulus frequency dependence of blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging signals in the somatosensory cortex of rats. Neuroscience Research, 62 (1), 25-31.
  • Matthews, F., Pearlmutter, B., A., Ward, T., E., Soraghan, C., & Markham, C. (2009). Hemodynamics for Brain-Computer Interfaces: Optical correlates of control signals. IEEE Signal Processing Magazine 25(1), 87-94.
  • Soul, J., S. & Plessis, A., D. (1999). Near infrared spectroscopy. Seminas in Pediatric Neurology. 6 (2), 101-110.
  • Stephen, M., C. (2007). Near-Infrared Spectroscopy: Potential Clinical Benefits in Surgery. Journal of the American College of Surgeons, 205(2)
  • Turner, R.,& Ordidge, R., J. (2000). Technical challenges of functional magnetic resonance imaging, Engineering in Medicine and Biology Magazin 19, 42–54.

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]