Диссертация (1104396), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Разделы мозга с большим числомнейронов открытого поля дают главный вклад в магнитное поле; в то же времяразделы с меньшим числом таких нейронов также участвуют в генерации поля [24].Так, передача соматосенсорного возбуждения в кору может генерироватьмагнитное поле, коррелирующее с возбуждением нейронов таламуса. Вдополнение к типу клеточной морфологии, ориентация главной оси клеток поотношению к черепу чрезвычайно важна для регистрации магнитного поляснаружи головы.
Компонента магнитного поля, радиальная по отношению кчерепу, генерируется в основном компонентой первичных токовых диполей,тангенциальной к черепу.1.1.3. Источники полей в мозгеГоловной мозг человека это чрезвычайно сложный орган, ответственный зауправление и контроль над многими функциями организма. Он состоит примерноиз 1011 электрически возбудимых клеток, называемых нейронами. Нейроныобразуют порядка 1015 синаптических связей и общаются посредствомэлектрохимическоговзаимодействия:возбужденныйнейрон(называемыйпресинаптическим) создает потенциал действия, который распространяется поаксону к синаптическому соединению с дендритами принимающего нейрона23(называемого постсинаптическим). Передача сигнала в синапсе осуществляетсяпутем высвобождения и поглощения нейромедиаторов.
Эти нейромедиаторыявляются причиной возникновения электрического тока в дендрите и телепостсинаптического нейрона. Накопление таких токов может вызвать генерациюпотенциаладействиявпостсинаптическомнейроне,идальнейшеераспространение сигнала. Внутриклеточные и внеклеточные потоки ионов,вызванные электрическим током и его изменениями, создают электромагнитныеполя, которые распространяются по тканям. Теоретически, они могут бытьизмерены снаружи черепа. Однако, на практике, только определенные токипроизводят поля, которые можно измерить [25]. Ионные токи, связанные спотенциалами действия, слишком быстры и нестабильны, магнитные поля,порождаемые этими токами, имеют квадрупольную структуру, что осложняет ихнаблюдение вне головы.
Постсинаптические же потенциалы стабильны в течениемиллисекунд, и их магнитные поля имеют дипольную структуру. Если множествосонаправленныхсоседствующихнейроноводновременнопребываютвпостсинаптической стадии возбуждения, то их наложенные токи и объемные токи,компенсирующие перенос зарядов, порождают электромагнитные поля, которыеможно измерить снаружи черепа. Источники, дающие наибольший вклад в ЭЭГ иМЭГ сигналы, различаются: ЭЭГ сигнал в основном вызван внеклеточными токамисреды, МЭГ сигнал – внутриклеточными токами (компоненты магнитного поля,порождаемого токами среды, взаимно компенсируются). В результате этого, сигналЭЭГ сильно зависит от проводимости окружающих тканей, в то время как сигналМЭГ зависит от этого в меньшей степени.
Необходимость наличия большогоучастка с одинаково направленными нейронами, для создания измеримого поля,объясняет почему основной вклад в ЭЭГ/МЭГ сигнал производится пирамиднымиклетками [26]. Эти нейроны образуют слои, в которых большое число клетокнаправлено одинаково. В основном они находятся в коре головного мозга, а такжев гиппокампе и миндалевидном теле [27].241.2 Магнитно-резонансная томография1.2.1 Основные принципыМагнитно-резонанснаятомография(МРТ)позволяетпроводитьинтроскопию непрозрачных для видимой области света объектов на основеизмеренийпространственнойлокализациисигналов ядерногомагнитногорезонанса (ЯМР).
Метод основан на работах Пола Лотербура [28]. В 1977 ПитеромМэнсфилдомбылапредложенатехнологияэхо-планарнойвизуализации,позволяющая получить изображение среза за короткое время (20-50 мс) [29]. Заизобретение метода МРТ Полу Лотербуру и Питеру Мэнсфилду в 2003 году былаприсуждена Нобелевская премия в области медицыны.Магнитно-резонансная томографиия хорошо подходит для изучения мякгихтканей тела, в частности головного мозга человека. Благодаря контрастностимежду изображением серого и белого вещества мозга, магнитно-резонанснаятомография хорошо подходит для изучения таких явлений, как демиелинезациянервных волокон, цереброваскулярные болезни, инфекционные заоблевания мозгаиэпилепсия.ионизирующегоВысокаяскоростьизлученияполученияпозволяютизображенияиспользоватьМРТиотстутствиедляизучениядинамических процессов в живом организме [30] [31].Для получения изображения МРТ используется тот факт, что частотапрецессии ядер определяется гиромагнитным соотношением и величинойвнешнего магнитного поля: = .(1.1)Создавая упорядоченные возмущения в однородности магнитного поляможно достичь того, что ядра в каждой области пространства будут иметь своючастоту прецессии [32].25Для получения МРТ изображения используется 3 градиента магнитного поля:градиент выбора среза, фазо-кодирующий градиент и частотно-кодирующийградиент [33].Выбор среза.
К постоянному полю 0 прикладывается срезо-кодирующийградиент,внаправлении,перпендикулярномвыбраннойплоскости.Ондобавляется к 0 , а протоны выражают изменение резонансной частоты,пропорциональноесрезо-кодирующемуградиенту(уравнениеЛармора).Одновременно применяется радио-волна, частота которой равна частоте протоновв выбранной плоскости.
Это вызывает опрокидывание намагниченности протоновв этой плоскости. Поскольку ядра водорода, находящиеся вне плоскости среза,невозбуждённые, они не дадут сигнала.Фазовое кодирование. Фазо-кодирующий градиент действует на протяженииограниченного промежутка времени. В течение приложения, он изменяет частотыпрецессии спинов, вызывая этим самим процесс смещения фаз, которыйпродолжает длится после прекращения действия градиента. Результатом являетсяпрецессия всех протонов на одной частоте, но в различных фазах.
Протоны,находящиеся на одной и той же линии, перпендикулярной направлению градиента,имеют одинаковую фазу. Фазовое смещение длится до момента регистрациисигнала.Последний этап пространственного кодирования заключается в приложениичастотно-кодирующего градиента во время регистрации сигнала, в последнемнаправлении (горизонтальном, в нашем случае). Он изменяет частоты прецессии вгоризонтальном направлении на протяжении всего своего приложения. Такимобразом, создаются столбцы протонов, которые имеют одинаковую скоростьпрецессии.Регистрируя спектры излучения возбужденных таких образом протнов,можно получить фазовую картину их распределения.
Применив к полученнойфазовой картине обратное двумерное преобразование Фурье, можно восстановитьпространственное распределение протонов [34;35].26Современные магнито-резонансные томографы используют сверхповодящиемагниты, создающие поля в 1.5-3 Тл. Пространственное разрешение составляет1 мм.1.2.2 Данные магнитно-резонансной томографии, использованные вдиссертационной работе1 -взешенные изображения были получены на томографах SIEMENSMAGNETOM Avanto 1.5T и SIEMENS MAGNETOM Skyra 3T, установленных вмедицинском центре Нью-Йоркского Университета. Использовались следующиепараметры градиентного эхо: для SIEMENS MAGNETOM Avanto 1.5T числосрезов - 256, TR (время повторения) = 2300 мс, TE (время эхо) = 3.97 мс, толщинасреза = 1 мм, угол переворота = 12, время инверсии = 1100 мс, поле наблюдения =250 × 256 мм; для SIEMENS MAGNETOM Skyra 3T число срезов - 256, TR (времяповторения) = 2000 мс, TE (время эхо) = 3.72 мс, толщина среза = 1 мм, уголпереворота = 15, время инверсии = 1200 мс, поле наблюдения = 250 × 256 мм.Рисунок 1.7 – Аксиальный срез магнитно-резонансной томограммы, полученныйна 3 Тл томографе.271.2.3 Функциональная магнитно-резонансная томографияФункциональная магнитно-резонансная томография – томографическийметод измерения активности головного мозга.
В основе метода лежит изменениеуровня насыщенности крови кислородом и изменение кровотока при активации тойили иной зоны мозга.В1990годуОгавойбылооткрытоявлениеконтрастированияМР изображения в зависимости от уровня насыщения крови кислородом (BOLDконтраст [36]). Это явление основано на изменении магнитных свойствгемоглобина при его деоксигенации. Парамагнитные свойства деоксигемоглобинавызывают локальные возмущения в магнитном поле, что ведет к потере протонамифазовой когерентности и сокращению времен релаксации 2 и 2∗ . Такоесокращение времени релаксации ведет к уменьшению уровня сигнала,регистрируемого МР томографом.
За деоксигенацией, связанной с активациейнейронов, следует увеличение кровотока, что приводит к увеличенному притокуоксигемогоблина в активную область. Увеличение уровня оксигемоглобина, засчет его диамагнитных свойств, ведет, в свою очередь, к увеличению временрелаксации 2 и 2∗ , что приводит к увеличению уровня сигнала, регистрируемогоМР томографом. Большинство экспериментов по фМРТ поставлено таким образом,что учитывается только рост сигнала.Эксперименты фМРТ – эксперименты с вызванной активностью.
Сначалаизмеряется базовый уровень, а затем регистрируется активация в ответ навыполнение испытуемым заданий. Для повышения точности исследованияактивирующие задания повторяются несколько раз.Временное разрешение фМРТ составляет 0.5 сек, пространственное 1мм.281.3 Магнитная энцефалография1.3.1 Характеристики биомагнитных полейПо сравнению с магнитным полем Земли, биомагнитные сигналычрезвычайно слабы. Эти слабые биомагнитные поля имеют порядок величин пикои фемтотесла, их частоты варьируются от долей герца до нескольких килогерц.Наиболее сильные поля производит сердце (магнитная кардиография, МКГ) искелетные мышцы (магнитная миография, ММГ). Амплитуда QRS-пика магнитнойкардиограммы обычно составляет несколько десятков пикотесла.
Нейромагнитныесигналы (магнитнаяэнцефалография, МЭГ) гораздо слабее. Спонтаннаяактивность мозга порождает наиболее сильные поля. Альфа-ритм, наблюдающийсяв затылочных отделах головы имеет амплитуду порядка одного пикотесла.Типичные вызванные поля – соматосенсорные, звуковые и зрительные отклики –слабее на порядок, наиболее сильные из них это десятки или сотни фемтотесла.На рисунке 1.8 приведены значения магнитной индукции для биомагнитныхполей и фоновых возмущений магнитного поля.
Уровень магнитных шумов на 4-6порядков превышает уровень измеряемых биомагнитных полей.Рисунок 1.8 Значения индукции и частотных диапазонов для биомагнитныхполей и фоновых возмущений магнитного поля. Из книги [37].29При проведении биомагнитных измерений возникает двойная проблема:необходимо измерить очень слабые биомагнитные сигналы в условиях, когдавнешние поля на много порядков превосходят целевой сигнал.
Для этогонеобходимы сверхчувствительные сенсоры и способы подавления внешних шумов.1.3.2 Магнитноэкранированные помещенияДля ослабления воздействия внешних магнитных полей в биомагнитныхизмерениях используются магнитноэкранированные помещения. Экранированиеосновано на отклонении магнитных потоков слоями мю-металла и ослабленииполей переменных токов проводящими оболочками из меди или алюминия.Эффективное экранирование от магнитных полей достигается использованиемзакрытых металлических кожухов. Фактор экранирования S определяется какотношение величины внешнего поля к величине остаточного магнитного поля внутри экранированного объёма: =Восновномиспользуется(1.2)трехслойноеэкранирование:мю-металл – проводящий слой – мю-металл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
