Sprzęt i oprogramowanie do obrazowania czynności mózgu techniką rezonansu magnetycznego

Transkrypt

1 Sprzęt i oprogramowanie do obrazowania czynności mózgu techniką rezonansu magnetycznego dr inż. PIOTR BOGORODZKI, dr inż. EWA PIĄTKOWSKA-JANKO, mgr inż. MATEUSZ ORZECHOWSKI, dr inż. ROBERT KURJATA, inż. WOJCIECH OBRĘBSKI, ŁUKASZ KOŁASZEWSKI, mgr inż. MARCIN WAGNER Politechnika Warszawska, Instytut Radioelektroniki mgr inż. TOMASZ WOLAK, Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu, Warszawa Obrazowanie techniką funkcjonalnego rezonansu magnetycznego Słowo kluczowe MRI (ang. Magnetic Resonance Imaging) występuje w publikacjach z dziedziny nauk medycznych, wydanych w latach (według wyszukiwarki MEDLINE/PubMed, U.S. National Library of Medicine). Liczba ta świadczy zarówno o skali zainteresowania problematyką, jak i o różnorodności zastosowań medycznych tej techniki. Wykorzystanie jądrowego rezonansu magnetycznego w medycynie zostało docenione przez komitet nagrody Nobla i w 2003 r. pionierzy tej techniki Paul C. Lauterbur i Sir Peter Mansfield zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny. Technika funkcjonalnego rezonansu magnetycznego fmri (ang. functional Magnetic Resonance Imaging), oprócz PET (ang. Positron Emission Tomography), jest jedną z ważniejszych obrazowych metod badawczych służących przyżyciowym badaniom aktywności centralnego układu nerwowego człowieka [7]. W porównaniu z obrazowaniem PET najnowszej generacji metodę fmri charakteryzuje lepsza rozdzielczość czasowa (rzędu pojedynczych sekund) i porównywalna rozdzielczość przestrzenna (blisko dwa milimetry) [10]. Wykorzystuje ona technikę MRI do rejestrowania zmian fizykochemicznych tkanki mózgowej w czasie wykonywania przez osobę badaną specjalnie zaprojektowanych testów, wymagających, w zależności od rodzaju badania, wzmożonej aktywności motorycznej, sensorycznej lub poznawczej (ang. cognitive). Z technicznego punktu widzenia eksperyment fmri polega na sekwencyjnym obrazowaniu MRI mózgu w czasie wykonywania przez pacjenta protokołu (ang. design paradigm) składającego się z naprzemiennie uszeregowanych faz odpoczynku, zwanych warunkiem kontrolnym, oraz stymulacji, zwanych warunkiem zadaniowym. W czasie trwania zadania pacjenta stymuluje się określonym bodźcem, bądź sam wykonuje zadaną czynność. W piśmiennictwie wyróżnia się dwa rodzaje protokołów badań fmri: blokowe i zdarzeniowe [4]. Protokół zdarzeniowy składa się z krótkich (krótszych od 0,5 s) okresów aktywności, nazywanych w tym przypadku zdarzeniami i następujących po nich chwil odpoczynku okresy odniesienia. Technika fmri wykorzystuje zjawisko zwiększonego dopływu krwi do regionów mózgu o większej aktywności neuronalnej. Wzrasta w nich poziom tlenu i można zaobserwować wzrost sygnału MRI wywołany podwyższoną koncentracją oksyhemoglobiny (diamagnetyk), a tym samym spadkiem koncentracji deoksyhemoglobiny (paramagnetyk). Wzrost sygnału MR wynika z lokalnych zmian jednorodności pola magnetycznego spowodowanych zmianą podatności magnetycznej. Dzięki zmianom podatności magnetycznej hemoglobiny w zależności od utlenowania, jest ona naturalnym środkiem kontrastowym. Kontrast pochodzący od podatności magnetycznej oznaczamy skrótem DSC (ang. Dynamic Susceptibility Contrast), a DSC powodowany zmienną koncentracją deoksyhemoglobiny nosi nazwę sygnału BOLD (ang. Blood Oxygenation Level Dependent) [11]. Zmiany sygnału BOLD, stymulowane w określonym schemacie badawczym, są przedmiotem analizy statystycznej prowadzonej w celu wykazania związków przyczynowo skutkowych między zastosowaną stymulacją a otrzymaną odpowiedzią BOLD [1,10]. Z punktu widzenia cyfrowego przetwarzania sygnałów protokół badania jest ciągłą funkcją czasu, stanowiącą wymuszenie wejściowe układu o nieznanej transmitancji. Sygnał BOLD, rejestrowany we wszystkich wokslach znajdujących się w badanej objętości, tworzy wyjściową strukturę danych będącą przedmiotem właściwej analizy. Mimo wciąż nie do końca poznanej natury sygnału BOLD, w pracy Logothetisa i in. [8, 9] wykazano ścisły związek między wielkością potencjałów LFP (ang. Local Field Potentials) rejestrowanych na powierzchni kory mózgowej, a jednocześnie rejestrowaną odpowiedzią BOLD w obszarze kory wzrokowej. Potwierdza to przydatność sygnału BOLD do pośredniego monitorowania aktywności neuronalnej in vivo w mózgu człowieka oraz otwiera możliwości przenoszenia wieloletnich doświadczeń zebranych w dziedzinie elektrofizjologicznych badań ośrodkowego układu nerwowego człowieka na nowy obszar badań. Aparatura i oprogramowanie do wspomagania badań mózgu techniką fmri Ze względu na bardzo skomplikowane podstawy teoretyczne techniki fmri liczba osób zajmujących się takimi badaniami w Polsce jest obecnie bardzo mała. Projekty tego typu realizowane są w interdyscyplinarnych grupach badawczych, łączących zespoły techniczne (zajmujące się konstruowaniem akcesoriów i aparatury wspomagającej) oraz zespoły medyczne (zajmujące się projektowaniem nowych procedur eksperymentalnych). W niniejszym artykule opisano aparaturę i oprogramowanie przeznaczone do badań czynnościowych fmri, opracowane w ramach realizacji projektu badawczego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz prac inżynierskich i magisterskich studentów Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych (specjalność Elektronika i Informatyka w Medycynie). Tematyka ta obejmowała opracowanie i testowanie następujących urządzeń: urządzenia do rejestracji czasów reakcji na bodźce RP (ang. Response Pad), urządzenia do stymulacji słuchowych, urządzenia synchronizujące skaner MRI z urządzeniami stymulującymi i przyciskami RP, oprogramowanie sterujące eksperymentem fmri: prezentacja bodźców w odpowiednich chwilach czasowych, programowanie i obsługa urządzeń synchronizujących oraz RP, obsługa błędów i sporządzanie raportów (logów) z przebiegu eksperymentu. 128 Elektronika 4/2008

2 Rys. 1. Student Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych (i dyplomant ZEJM) p. Marcin Orłowski w pomieszczeniu skanera z Response Padami skaner zainstalowany w Gliwicach w Instytucie Onkologii, badania wykonano dzięki współpracy z kierownikiem Zakładu Radiologii doc. dr hab. Barbarą Bobek-Billewicz Fig. 1. A student of Faculty of Electronics and Information Technology (MSc student in ZEJM) Mr Marcin Orłowski showing fmri response pads installed in Radiology Department of Comprehensive Cancer Centre Maria Skłodowska-Curie Memorial Institute Branch Gliwice headed by dr Barbara Bobek-Billewicz Ogólny schemat blokowy aparatury wykorzystywanej do badań czynnościowych mózgu przedstawiono na rys. 2. Typowo rozmieszczona jest w dwóch pomieszczeniach: ekranowanym elektromagnetycznie pomieszczeniu skanera (rys. 1) oraz pomieszczeniu technicznym, w którym przebywa personel obsługujący eksperyment. Urządzenia pracujące w pomieszczeniu skanera powinny spełniać bardzo restrykcyjne wymagania normy PN-EN , dotyczącej bezpieczeństwa urządzeń rezonansu magnetycznego do diagnostyki medycznej. Dlatego głównym założeniem projektowym było ograniczenie liczby układów elektronicznych umieszczonych w skanerze do niezbędnego minimum oraz użycie do budowy urządzeń znajdujących się w pobliżu pacjenta tworzyw sztucznych (np. plastikowych światłowodów) lub metali niemagnetycznych. Komputer sterujący eksperymentem znajduje się w pomieszczeniu technicznym, a jego głównym zadaniem jest odbiór sygnałów synchronizujących (producenci tomografów MR umożliwiają synchronizację badań z systemami stymulującymi przez wysłanie sygnału strobującego lub przez wyzwalanie tomografu impulsem podawanym na jego wejście) oraz stymulacja pacjenta w chwilach czasowych określonych w protokole badania. Urządzenia znajdujące się w pomieszczeniu tomografu muszą być odizolowane galwanicznie od reszty systemu. Rys. 2. Aparatura wspomagająca badania techniką fmri. Fig. 2. A block diagram of instrumentation used in fmri studies Elektronika 4/

3 Zabezpiecza to tomograf przed uszkodzeniem w wyniku nieprawidłowego działania urządzenia lub innej nieprzewidzianej sytuacji, na przykład krótkotrwałego impulsu wysokiego napięcia powstałego w wyniku działania pola magnetycznego wytwarzanego przez tomograf. W dalszej części artykułu opisano szczegółowo poszczególne elementy aparatury wspomagającej badania fmri. Układ do rejestracji czasu reakcji osoby badanej Urządzenia odbierające reakcje pacjenta na bodźce w swojej najczęściej spotykanej postaci przyjmują formę, która określana jest mianem response box lub response pad (RP). Zazwyczaj nie różnią się one znacznie w sensie konstrukcyjnym (istnieje kilka firm oferujących tego typu sprzęt: NordicNeuroLab, Cedrus Corporation Lumina). RP wykonane są z tworzyw sztucznych lub innych materiałów niemagnetycznych. Takie rozwiązanie pozwala uniknąć kłopotów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną, co jest niezwykle ważne dla urządzeń pracujących w komorze skanera MRI. Detekcja odpowiedzi pacjenta oraz przesyłanie danych oparte są na technice światłowodowej. Podobne rozwiązanie przyjęto w opisywanym sprzęcie, którego dwie wersje przedstawia rys. 3. Analizą stanu przycisków całkowicie niemagnetycznych zajmują się układy elektroniczne zamknięte w starannie zaekranowanym profilu aluminiowym, widocznym na rys. 2. Informacja o zmianie stanu przycisków jest transmitowana światłowodem do urządzenia znajdującego się w pomieszczeniu kontrolnym. Kolejnym elementem systemu jest jednomodułowe urządzenie nadawczo-odbiorcze służące do odbioru danych bezpośrednio z Response Padów i przesyłania ich do komputera z działającą aplikacją sterującą eksperymentem. Na rys. 2. przedstawiono położenie wszystkich elementów wspomagających realizację badania czynnościowego oraz położenie zaprojektowanego urządzenia w stosunku do pozostałych elementów systemu. Urządzenie synchronizujące (rys. 4) spełnia następujące funkcje: Rejestruje zdarzenia zmiany położenia obsługiwanego przez pacjenta przycisku, Synchronizuje aplikację sterującą eksperymentem z tomografem MR, Przesyła zebrane dane do aplikacji sterującej. Rys. 3. Dwie wersje przycisków RP. Fig. 3. Two versions of response pads Rys. 4. Moduł synchronizujący (część pracy dyplomowej inż. Wojciecha Obrębskiego) Fig. 4. A synchronizing module (a part MSc work of Wojciech Obrębski) 130 Elektronika 4/2008

4 Rys. 5. Schemat blokowy układu Rękawica fmri (opracowanie mgr inż. Marcin Wagner) Fig. 5. A module diagram of fmri glove (by Marcin Wagner) Moduł czujnika oparty jest na układzie scalonym LIS3L- V02DL firmy ST Microelectronics (rys. 6). Jest to trójosiowy czujnik przyspieszenia, który do poprawnego funkcjonowania nie potrzebuje elementów zewnętrznych. Jedynymi elementami, które są zalecane do poprawnej pracy czujnika, są kondensatory odprzęgające (100 nf i 10 μf). Dzięki danym z czujnika przyspieszenia można dokładnie określić czas wykonania każdego ruchu palcem (rys. 8), co pozwala na potraktowanie każdego takiego ruchu jako pojedynczego zdarzenia. Całe badanie można więc potraktować jako badanie o schemacie zdarzeniowym, a jako regresor wykorzystać funkcję, w której moment każdego ruchu palcem oznaczony jest jako kolejne zdarzenie. Rys. 6. Schemat blokowy czujnika przyspieszenia LIS3LV02DL [16]. Fig. 6. A schematic diagram of LIS3LV02DL accelerometer [16] Oprócz badań, w których na pacjenta oddziałuje się określonym bodźcem, prowadzone są również badania, w których pacjent wykonuje zadaną czynność. Często jest to test, w którym zadaniem pacjenta jest wykonanie określonej sekwencji ruchów palcami. Do detekcji ruchu opracowano rękawicę z czujnikami przyspieszenia umieszczonymi na końcach palców (rys. 7). Sygnały z czujników przyspieszenia przekazywane są do systemu komputerowego i korelowane z obrazami fmri. W projektowanym układzie został wykorzystany scalony czujnik przyspieszenia, wykonany w technologii MEMS (ang. Micro-Electro Mechanical Systems). Układ detekcji ruchu rękawicy projektowano tak, aby spełnił następujące wymagania techniczne: niewielkie rozmiary, tak aby zmieścił się na dłoni, budowa modułowa pozwalająca na łatwą dalszą rozbudowę/modyfikację układu, mały pobór energii, wykorzystanie mikroprocesora z rodziny MSP430 firmy Texas Instruments, odporność na zakłócenia elektromagnetyczne panujące w pobliżu skanera MR, wprowadzenie jak najmniejszych zakłóceń jednorodności pola magnetycznego. Cały układ podzielono na trzy zasadnicze moduły: moduł czujnika, moduł mikroprocesora oraz moduł komunikacyjny (rys. 5). Zadaniem modułu czujnika jest pomiar przyspieszenia i przesłanie danych pomiarowych do modułu mikrokontrolera. Ten z kolei zajmuje się identyfikacją danych i odpowiednim ich uporządkowaniem. Poza tym przetwarza dane i przygotowuje je do wysłania do urządzenia kontrolnego. Za przesyłanie danych zgodnie ze standardem EIA232C odpowiada moduł komunikacyjny. Rys. 7. Rękawica fmri z czujnikami zaekranowana folią miedzianą Fig. 7. A general view of fmri glove with cupper shielded transducers Układ stymulacji akustycznej Badania czynnościowe fmri układu słuchowego należą do najbardziej złożonych i napotykają najwięcej problemów. Wiąże się to przede wszystkim z hałasem wywoływanym szybkim przełączaniem cewek gradientowych w powszechnie używanej do obrazowania fmri sekwencji pól gradientowych EPI (ang. Echo Planar Imaging) [2, 3]. Natężenie hałasu dochodzi do 123 db [13] przy indukcji pola głównego 1,5 T (z maksimum dla częstotliwości 1 khz) i 138 db dla indukcji 3T (z maksimum dla częstotliwości 1,4 khz). W nowych konstrukcjach skanerów zostało zmniejszone do ok db zarówno dla 1,5 T, jak i 3 T. Problem wpływu hałasu skanera na rozmiary przestrzenne obszaru pobudzonego lub amplitudy od- Elektronika 4/

5 Rys. 8. Przykład zarejestrowanych przyśpieszeń ręki i palca podczas tzw ruchu pincetowego (ang. finger tapping) Fig. 8. An example registration of hand and finger accelerations during finger tapping powiedzi BOLD nie został do tej pory, według wiedzy autorów, jednoznacznie rozwiązany, mimo stosunkowo dużej liczby prac dotyczących tego tematu (np. [2, 5, 6, 14]). Przyjęte rozwiązania układów do stymulacji akustycznej powinny uwzględniać dużą indukcję stałego pola magnetycznego (1,5 Tesli lub 3 Tesle). Opracowano i przetestowano dwa typy systemów: 1) pneumatyczny wykorzystujący przetworniki elektrodynamiczne umieszczone w pomieszczeniu technicznym i transmitujące dźwięk za pomocą rurek dźwiękowodów, 2) bezpośredni wykorzystujący przetworniki piezoelektryczne umieszczone w przestrzeni tomografu. Układ dostarczający bodźce akustyczne odtwarza dźwięk zapisany cyfrowo w formacie SPDIF (akronim S/PDIF lub SPDIF oznacza Sony/Philips Digital Interface Format). Cyfrowy zapis dźwięku z wyjścia karty dźwiękowej dostarczany jest światłowodem. Ze względu na znaczną odległość między komputerem z kartą dźwiękową a tomografem, do transmisji cyfrowego sygnału akustycznego należało użyć światłowodów szklanych. Do budowy konwertera odtwarzającego dźwięk zapisany w formacie SPDIF użyto układów odbiornika cyfrowego sygnału audio CS8414 i przetwornika C/A CS4334. Sygnał analogowy z przetwornika jest wzmacniany i podawany na głośniki audiologiczne Telephonics TDH-39N. Wzmacniacz zbudowano przy wykorzystaniu układów LM3886. Konwerter oraz wzmacniacz wraz z zasilaniem i głośnikami audiologicznymi zamknięto w obudowie z aluminium. Dalej dźwięk podawany był za pośrednictwem dźwiękowodu o średnicy 8 mm wprowadzonego w ochronniki słuchu, lub przetworników piezzoelektrycznych SONITRON SPS-27 (rys. 9). Układ dostarczający bodźców akustycznych został wyposażony w gniazdo światłowodowe firmy Agilent (HFBR-2416 RX). Do wyjścia sygnału SPDIF z karty muzycznej, przystosowanego do dołączania kabla koncentrycznego, wykonano adapter umożliwiający dołączanie światłowodu (gniazdo HFBR TX) (praca Łukasza Kołaszewskiego). Zarówno doświadczenia konstrukcyjne związane z poszczególnymi systemami, jak i porównania ich właściwości eksploatacyjnych w doświadczeniach fmri były przedmiotem doniesień [7, 15]. Ostatecznie wybrano, głównie ze względu na jakość reprodukcji dźwięku, wersję z przetwornikami piezoelektrycznymi. Podczas prac nad wersją prototypową wykonano pomiary charakterystyk amplitudowych ze źródłem w postaci karty dźwiękowej opartej na układzie PCM29002 i podawaniem dźwięku za pośrednictwem ochronników słuchu. Słuchawki zostały przetestowane w przestrzeni skanera rezonansu magnetycznego w celu sprawdzenia, czy nie wnoszą zakłóceń do obrazów tomograficznych. Testy wypadły pomyślnie i obecnie ta wersja słuchawek jest stosowana do prowadzonych przez nas badań czynnościowych (rys. 10). Rys. 9. Elementy skladowe układu stymulacji akustycznej: nadajnik po lewej oraz ochronniki słuchu PELTOR H510 z zamontowanymi przetwornikami SONITRON SPS-27 po prawej Fig. 9. Sound delivery system: transmitter (left) and noise defenders PELTOR H510 fitted with piezoelectric transducers SONITRON SPS-27 (right) 132 Elektronika 4/2008

6 Wykorzystano koncepcję podwójnego buforowania (dane są wczytywane do bufora), następnie przygotowywany jest kontekst graficzny, który w chwili odebrania sygnału synchronizacji jest prezentowany na ekranie. Przykładowe wyniki badań fmri Rys. 10. Obraz MRI jednorodnego wodnego fantomu kulistego zarejestrowany podczas pracy systemu SDS (lewy) oraz przy wyłączonym systemie (prawy) opracowanie Łukasza Kołaszewskiego Fig. 10. A MRI image of homogeneous spherical water- phantom with (left) and without (right) SDS Oprogramowanie sterujące Do prowadzenia badań czynnościowych wykorzystywane jest oprogramowanie umożliwiające projektowanie badań oraz prezentację bodźców i odpowiedzi. Na rynku dostępne są produkty o podobnej funkcjonalności, np. E-Prime ( pstnet.com), Presentation ( Ich zastosowanie w fmri jest utrudnione ze względu na brak kompatybilności z urządzeniami wykorzystanymi do podawania bodźców i rejestracji odpowiedzi. Ponadto oprogramowanie to dedykowane jest do eksperymentów na potrzeby psychologii, a nie badań fmri. W ramach projektu MNiSzW pt. Opracowanie metodyki i aparatury do klinicznych badań czynnościowych kory słuchowej metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (również praca mgra inż. Wojciecha Gradkowskiego) stworzono oprogramowanie o nazwie Paradigm Designer, pozwalające na łatwe planowanie eksperymentu, dostarczanie bodźców akustycznych i wizualnych zsynchronizowanych z akwizycją danych w skanerze MR oraz rejestrację odpowiedzi pacjenta w czasie wykonywania zadania (ang. response logging). Oprogramowanie zapewnia prezentację bodźców z maksymalną dostępną precyzją i minimalnym opóźnieniem względem sygnału strobującego akwizycję obrazów funkcjonalnych. Współpracuje z urządzeniem rejestrującym, wykorzystując do wymiany danych magistralę USB. Dostarczanie bodźców wizualnych realizowane jest za pośrednictwem rzutnika cyfrowego dołączanego do portu karty graficznej komputera PC. Program Paradigm Designer został wyposażony w graficzny interfejs użytkownika, umożliwiający łatwe planowanie eksperymentów, jak również zapis i odczyt utworzonych strategii. Do napisania programu wykorzystano platformę JAVA 1.5. Środowisko okienkowe zostało zaprojektowane przy wykorzystaniu pakietu SWING. Na potrzeby Paradigm Designer opracowano dedykowane komponenty oprogramowania, umożliwiające edycję strategii eksperymentu. Obsługa formatów dźwiękowych jest zapewniana przez bibliotekę JavaSound obsługującą format WAV. Z kolei obrazy są ładowane i przetwarzane przez Java Image I/O, zapewniające efektywne wczytywanie plików do pamięci oraz bibliotekę Java Graphics2D wykorzystującą akcelerację sprzętową wyświetlania obrazów. Komunikacja z zewnętrznymi urządzeniami została zaprojektowana przy wykorzystaniu klas wchodzących w skład Java Connections API. Paradigm Designer zoptymalizowano tak, aby opóźnienia pomiędzy zewnętrznym impulsem synchronizującym akwizycję a prezentację pobudzeń był minimalny. Opisany sprzęt i oprogramowanie zostały wykorzystane do realizacji kilku badań czynnościowych. Jednym z nich był pomiar wpływu hałasu generowanego przez skaner MR przy obrazowaniu sekwencją EPI na wielkość sygnału BOLD indukowanego w obszarze pierwotnej kory słuchowej. Dodatkowym celem było stworzenie i ekperymentalne potwierdzenie modelu pozwalającego na przewidywanie kształtu indukowanej odpowiedzi BOLD w zależności od warunków eksperymentu [17]. Badania wykonano na 1,5 T skanerze Philips Gyroscan NT przy wykorzystaniu standardowej cewki głowowej. Uczestniczyło w nim 20 osób (16 mężczyzn i 4 kobiety, w tym 19 osób praworęcznych i 1 leworęczna) w wieku 23,6 ±0,7 lat, bez wykrytych wad słuchu. Do obrazowania anatomicznego wykorzystano sekwencję obrazów T1-zależnych (TR = 123,6 ms, TE = 2,5 ms). Zebrano 16 warstw w kierunku osiowym (axial) o grubości 4 mm i odstępie między warstwami 1 mm. Warstwy zostały ułożone w taki sposób, aby obejmowały płat skroniowy. FOV wynosił mm, flip angle 90, wielkość woksla 0,86 0,86 4 mm. Obrazy czynnościowe zostały zebrane w tej samej geometrii przy wykorzystaniu sekwencji EPI. Wielkość woksla wynosiła 3,43 3,43 4 mm, a czas TE 40 ms dla wszystkich sekwencji. Czas TR był zmieniany w kolejnych seriach czynnościowych i wynosił 2, 3, 4, i 6 s. Na rys. 12. przedstawiono wyniki analizy grupowej z zaznaczonymi obszarami średniej aktywacji, charakterystyczne dla badanej grupy przy określonym czasie TR 6 sekund. Innym badaniem zrealizowanym przy wykorzystaniu opracowanego sprzętu i oprogramowania było badanie mające na celu określenie tonotopowej struktury kory słuchowej. Tonotopia jest postrzegana jako progresywne zmiany w neuronalnej Rys. 11. Widok głównego panelu projektowania eksperymentu w programie PD Fig. 11. A main panel view of PD paradigm design software Elektronika 4/

7 Rys. 12. Wyniki grupowej analizy MSA (ang. Multi Subject Analysis) pokazującej średnie aktywacje, charakterystyczne dla badanej grupy dla TR6 Fig. 12. An example results of Multi Subject analysis showing population characteristic effects for TR6 stimulation BF (BF akustyczna częstotliwość, dla której neuron jest najbardziej czuły) w zależności od położenia na powierzchni kory i obrazowana jest jako mapy tonotopowe. W badaniu uczestniczyły 22 osoby: 20 mężczyzn i 2 kobiety, wszystkie osoby praworęczne, w wieku 23,6 ±0,7 lat. Badanie fmri składało się 12-sekundowych blokowych stymulacji, z których każda zawierała pseudolosową kombinację bodźców o 4 modulowanych częstotliwościach: 250 Hz ±200 Hz, 1000 Hz ±500 Hz, 2000 Hz ±500 Hz i 4000 Hz ±1500 Hz. Analiza wykazała silną aktywację różnych obszarów w zależności od częstotliwości stymulującej bodźca. Położenie regionów aktywowanych przesuwało się dla częstotliwości od niskiej do wysokiej z obszarów bocznych ku środkowi (rys. 13), co pokazuje istnienie tonotopowej organizacji w obrębie pierwotnej kory słuchowej [18]. Rys. 13. Wynik analizy grupowej z zaznaczonymi regionami aktywowanymi przez bodźce o różnych częstotliwościach Fig. 13. An example multisubject level analysis showing fmri activations caused by different frequency stimuli 134 Elektronika 4/2008

8 Przy użyciu rękawicy z czujnikami przyspieszenia wykonano badanie kory motorycznej mózgu. Zadanie typu finger tapping polegało na uderzaniu o siebie palców wskazującego i kciuka, na przemian w lewej i prawej ręce. W wyniku statystycznej analizy zdarzeniowej przeprowadzonej w środowisku SPM ( uzyskano obrazy kory motorycznej mózgu pacjenta przedstawione na rys. 14. Zapraszamy do odwiedzania naszych stron internetowych: oraz Prace związane z wykonaniem układu synchronizacji, oprogramowania i testowe wersje słuchawek zrealizowano w ramach projektu badawczego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego 3T11E (lata ). W prezentowanym artykule wykorzystano prace inżynierskie i magisterskie: inż. Wojciecha Obrębskiego, mgr inż. Wojciecha Gradkowskiego, Łukasza Kołaszewskiego, mgr inż. Marcina Wagnera wykonane pod kierownictwem dr inż. Piotra Bogorodzkiego. Literatura Rys. 14. Wyniki analizy stymulacji motorycznej przy użyciu rekawicy fmri Fig. 14. Single subject fmri results of motoric stimulation obtained with proposed fmri glove Podsumowanie Opisane w artykule urządzenia i oprogramowanie (rys. 2) mogą być wykorzystywane zarówno w eksperymentach naukowych, jak i do badań klinicznych. Wykonany system spełnia wymagania stawiane urządzeniom pracującym w pobliżu skanera MR. Oprogramowanie wspomagające badania przy wykorzystaniu omawianego systemu Paradigm Designer zapewnia jego łatwą obsługę i proste projektowanie eksperymentów. Zalety te zdążyli już docenić nasi współpracownicy zarówno z ośrodków w kraju, jak i za granicą, takich jak: NeuroSpinal Hospital (Dubai, UEA), Cliniques Universitaires Saint-Luc (Brussel, Belgium), Centre Hospitalier Universitaire de Liège (Liege, Belgium), Fundación Hospital Nacional de Parapléjicos (Toledo, Spain), Fondation Ophtalmologique Adolphe de Rothschild, (Paris, France), Helimed Diagnostic Imaging (Katowice), Zakład Radiologii Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie, Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie Oddział w Gliwicach. Ich opinie wykorzystujemy, rozwijając system, wprowadzając modyfikacje w istniejących instalacjach oraz planując funkcjonalność następnych wersji systemu. Do badań czynnościowych mogą zostać wykorzystane również inne urządzenia opracowane w ZEJM: system do monitorowania ruchu gałki ocznej lub systemy do odbioru sygnałów biologicznych w przestrzeni tomografu rezonansu magnetycznego. Większość tych prac to tematy prac inżynierskich i magisterskich realizowanych w Pracowni Biomedycznych i Nukleonicznych Systemów Komputerowych ZEJM. [1] Buxton R. et al.: Introduction to Functional magnetic Resonance Imaging, Cambridge University Press, [2] Chambers J.D. et al.: Attenuation of fmri scanner noise: active noise cancellation and the problem of bone vibration. Institute of Hearing Research (UK). [3] Di Salle F., Esposito F. et al.: fmri of the auditory system: understanding the neural basis of auditory gestalt. Magnetic Resonance Imaging 2003, 21, [4] Friston K. J., A. P. Holmes, C. J. Price, C. Buchel, Worsley K. J.: Multisubject fmri studies and conjunction analyses. Neuroimage, 1999, 10(4), 385. [5] Hart H.C., Hall D.A.: Different areas of human non-primary auditory cortex are activated by sounds with spatial and non-spatial sound properties. Human Brain Mapping 2004, 21, 178. [6] Langers D.R.M. et al.: Interactions between Hemodynamic Responses to Scanner Acoustic Noise and Auditory Stimuli in Functional Magnetic Resonance Imaging. Magnetic Resonance in Medicine 2005, 53, 49. [7] Latchaw R., Kucharczyk J., Moseley M.E.: Imaging of the Nervous System Diagnostic and Therapeutic Applications. Elsevier, [8] Logothetis NK, Pauls J, Augath M, Trinath T, Oeltermann A.: Neurophysiological investigation of the basis of the fmri signal. NATURE 2001, 412 (6843): 150. [9] Logothetis N. K., Pfeuffer J.: On the nature of the BOLD fmri contrast mechanism. Magnetic Resonance Imaging, 2004, 22, [10] Moonen C.T.W., Bandettini P.A.: Functional MRI. Springer, [11] Ogawa S., T. M. Lee, A. R. Kay, D. W. Tank: Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1990,vol. 87(24), [12] Orzechowski M., Bogorodzki P., Kochanek K., Wolak T., Piątkowska-Janko E., Kurjata R., Gołębiowski M., Szeszkowski W., Cieszanowski A.: fmri sound delivery system for auditory stimuli presentation, 8 th International Conference Advances in Diagnosis and Treatment of Auditory Disorders, [13] Ravicz M.E., Melcher J.R.: Isolating the auditory system from acoustic noise during functional magnetic resonance imaging: Examination of noise conduction through the ear canal, head, and body. J. Acoust. Soc. Am., 2001, 109 (1). [14] Yoo S.-S. Et al.: Functional asymmetry in human primary auditory cortex: Identified from longitudinal fmri study. Neuroscience Letters 2005, 383, 1. [15] The Duy Bui, Long Thang Nguyen Recognizing Postures in Vietnamese Sign Language With MEMS Accelerometers, IEEE Sensors Journal, vol. 7, no 5, May 2007, pp [16] Dokumentacja techniczna czujnika przyspieszenia LIS3LV02DL 3lv02dl.pdf [17] Bogorodzki P., Piątkowska-Janko E., Wolak T., Orzechowski M., Kurjata R., Skarżyński H., Śliwa L., Kochanek K., Gołębiowski M., Szeszkowski W.: Analiza wpływu hałasu wnoszonego przez tomograf na wyniki badania czynnościowego słuchu techniką rezonansu magnetycznego (fmri). Audiofonologia ISSN [18] Orzechowski M., Wolak T., Piątkowska-Janko E., Bogorodzki P., Kurjata R., Szeszkowski W., Śliwa L., Kochanek K., Rowiński O.: An evidence of the tonotopical organization within the human primary auditory cortex: fmri study. European Radiology Supplements. (3rd 7th Mar 2006) Elektronika 4/