Раздвигая границы визуализации мозга с помощью фМРТ в реальном времени и многого другого
Медицинская школа УНМ Лаборатория исследования МРТ человека, в сотрудничестве с учеными всего мира, открывает новые возможности в разработке методов МРТ, помогающих понять, как работает мозг, и улучшить диагностическую визуализацию у пациентов с раком.
Наши команды разработали передовые технологии визуализации, такие как функциональная МРТ в реальном времени, которые позволят нейрохирургам принимать важные решения в операционной. Эти инновации раздвигают границы существующих технологий МРТ, чтобы выяснить, что кровоток может рассказать нам об активности мозга.
Последняя работа команды основана на структурной и функциональной МРТ:
- Структурная МРТ — это неинвазивная технология визуализации для картирования морфологии мозга и циркуляторной активности с использованием сильных магнитных полей для выравнивания ядерных спинов, радиоволн для изменения их ориентации и получения сигналов от ядерных спинов. Он может создавать изображения с высоким разрешением, чтобы показать различия между тканями мозга.
- Функциональная МРТ (фМРТ) позволяет врачам измерять и картировать активность мозга в нормальных и болезненных состояниях, измеряя изменения интенсивности изображения, связанные с изменениями кровотока. Он может создавать изображения с высоким разрешением, чтобы показать увеличение притока крови к активным областям мозга, что дает более сильный сигнал фМРТ.
Для разработки и внедрения новых технологий МРТ наши исследователи работают с коллегами на национальном и международном уровнях, в том числе с Университетом Миннесоты. Центр магнитно-резонансных исследований и Копенгагенский университет в Дании, а также Сеть исследования разума в Нью-Мексико.
Мы также обучаем некоторых из самых ярких научных умов в области физики и техники в Университете Нью-Мексико и ученых-клиницистов в Центр медицинских наук ЕНД. Стажеры из различных дисциплин привносят новые перспективы в текущие проекты, которые расширяют технологии визуализации с целью помочь большему количеству пациентов преодолеть неврологические проблемы.
TurboFIRE: фМРТ в состоянии покоя для интраоперационных данных в реальном времени
Мы разрабатываем TurboFIRE (турбофункциональная визуализация в режиме реального времени) для картирования активности мозга во время текущего фМРТ-сканирования, чтобы позволить врачам наносить на карту точное местоположение красноречивой коры (то есть областей мозга с определенными функциями) для руководства хирургией рака головного мозга.
В то время как традиционные методы фМРТ отображают активность мозга, когда пациенты выполняют задачу, фМРТ в состоянии покоя отображает функциональные системы мозга, анализируя колебания кровотока, когда пациенты находятся в состоянии покоя. Внедряя визуализацию состояния покоя мозга в режиме реального времени с помощью технологии TurboFIRE, мы можем распространить преимущества МРТ на травмированных, инвалидов или молодых пациентов, которые не могут следовать инструкциям по проведению традиционной фМРТ.
Более того, TurboFIRE совместим с новейшими сверхскоростными методами сбора данных фМРТ, которые обеспечивают временное разрешение в сотни миллисекунд и значительно повышают чувствительность по сравнению с традиционными методами сбора данных фМРТ.
В настоящее время мы переводим эту технологию в интраоперационные условия, чтобы позволить нейрохирургам картировать красноречивую кору до, во время и после операции с помощью интраоперационного МРТ-сканера. Наши коллеги из Медицинского центра Университета Миннесоты используют сканер IMRIS, который перемещают в операционную, чтобы получать данные фМРТ для контроля за успехом операции.
Используя TurboFIRE, наши эксперты могут сопоставлять определенные функции, такие как язык, движение или зрение, с соответствующими областями активности мозга с точностью до миллиметра, когда мозг находится в состоянии покоя. Цель нашей текущей работы — определить, может ли фМРТ в состоянии покоя помочь улучшить нейрохирургическую точность, предоставив подробную карту красноречивых структур пациента, которые контролируют движение, речь и познание.
Есть много дополнительных приложений для этой захватывающей технологии, от предоперационного картирования пациентов с эпилепсией до отслеживания активации речи и использования нейробиоуправления для изменения состояний мозга. TurboFIRE в настоящее время используется в Центре исследований магнитного резонанса и в Исследовательской сети MIND, и мы стремимся внедрить ее в UNM Health.
Высокоскоростная метаболическая визуализация: PEPSI и не только
Еще одна захватывающая разработка МРТ в нашей лаборатории — технология высокоскоростной МР-спектроскопической визуализации под названием PEPSI (протонно-эхо-планарная спектроскопическая визуализация), которая позволяет нам картировать биохимические вещества мозга в 3-х измерениях за короткое время сканирования. МР-спектроскопия — это метод биохимического анализа, который измеряет биохимический состав ткани на основе спектральной картины отдельных биохимических веществ.
Спектроскопическая визуализация может обнаруживать биохимические изменения в головном мозге, связанные с опухолями, и они специфичны для разных типов опухолей. Другими словами, PEPSI позволяет нам быстро получать трехмерные биохимические изображения мозга, которые помогают врачам диагностировать, лечить и контролировать точный размер, расположение и типы рака мозга.
Мы разработали эту высокоскоростную технику, чтобы обеспечить более точное и быстрое сканирование. В то время как создание типичного спектроскопического изображения может занять 20 минут или больше, PEPSI позволяет нам создавать трехмерные изображения всего за три минуты. Это короткое время сканирования позволяет нам интегрировать PEPSI в протокол клинической визуализации.
Будущее визуализации мозга широко открыто. Еще примеры ведутся исследования в нашем лаборатория следующие:
- Высокочастотная связь в состоянии покоя в высокоскоростной фМРТ для преодоления технических ограничений традиционной фМРТ в состоянии покоя.
- Картирование диффузионных свойств биохимических веществ головного мозга для исследования внутриклеточной среды опухолей головного мозга.
- Сочетание функциональных и метаболических методов МРТ для одновременного картирования красноречивой коры и биохимии мозга.
- Мониторинг ответа на неоадъювантную химиотерапию при раке молочной железы с использованием высокоскоростной 3D-МР-спектроскопии общего холина.
- Разработка методов нейробиоуправления на основе фМРТ в состоянии покоя в режиме реального времени для картирования и изменения состояний мозга.
В исследовательской лаборатории МРТ человека мы каждый день раздвигаем границы технологий. Именно здесь происходит захватывающая наука, поскольку мы расширяем наши знания о мозге, создаем основу для будущих достижений в области здравоохранения и расширяем границы человеческих знаний.
Стажеры вносят важный вклад в работу лаборатории
Хотя понимание мозга — серьезное дело, оНаши творческие стажеры получают массу удовольствия в лаборатории. Они приходят из широкого круга дисциплин, таких как ядерная инженерия, электротехника, физика, психология и медицина, и привносят новую перспективу в каждый проект.
Их вклад ощутим. Мы применяем строгий научный подход, и часто их замечательные идеи становятся частью наших проектов. Наши стажеры и стажеры не только получают практический опыт работы с передовыми технологиями, но и помогают их создавать.
Нам, ученым, важно признать, что есть предел тому, что мы знаем. В исследовательской лаборатории МРТ человека мы каждый день раздвигаем границы технологий. Именно здесь происходит захватывающая наука, поскольку мы расширяем наши знания о мозге, создаем основу для будущих достижений в области здравоохранения и расширяем границы человеческих знаний.