پردازش و آنالیز تصاویر

مقدمه ای بر پردازش تصاویر مغزی:

هدف از پردازش تصاویر مغزی کمی سازی ویژگی های این تصاویر است. این کمی سازی به پزشکان و محققان در تشخیص بیماری ها و همچنین شناخت بهتر مغز کمک می کند. برای مثال کمی سازی تصاویر ساختاری مغز این امکان را به محققان می دهد که حجم قسمت های مختلف مغز را در افراد مختلف مقایسه نمایند. در بخش پردازش تصویر آزمایشگاه ملی نقشه برداری مغز، خدمات پردازش و پیش پردازش برای تصاویر MRI گوناگون ارائه می شود. دو نوع تصویر MRI که در سال های اخیر بسیار مورد توجه و استفاده قرار گرفته اند عبارتند از تصویر برداری fMRI و DWI، که پردازش آنها در این مرکز انجام می شود.

 

مقدمه ای بر پردازش تصاویر مغزی
شکل 1. روند ثبت و آنالیز تصاویر پزشکی

 

 

تصویر برداری تشدید مغناطیسی:

کنتراست در تصاویر تشدید مغناطیسی (که باعث شکل گیری تصویر ظاهری یک ساختار برای ما می شود)، بستگی به نحوه ثبت آن تصویر دارد. می توان با تنظیم پالس‏های فرکانس رادیویی و گرادیانت ها و انتخاب دقیق زمان بندی آنها، از ویژگی های مختلف بافت عکس گرفت.

 

مقدمه ای بر تصویر برداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI):

 

اکسیژن توسط هموگلوبین به نورون‏ها تحویل داده می شود. وقتی فعالیت نورونی افزایش می یابد، تقاضا برای اکسیژن توسط نورون ها بالا می رود، در نتیجه جریان خون در محل فعالیت نورون‏ها افزایش می یابد. هموگلوبین حاوی اکسیژن خاصیت مغناطیسی دارد. این ویژگی خون باعث ایجاد تفاوت کوچک در سیگنال تشدید مغناطیسی (MR) می شود. از انجا که میزان اکسیژن خون بسته به سطح فعالیت نورونی تغییر می کند، می‏توان از این تغییرات برای ثبت فعالیت مغزی استفاده نمود. از آنجا که در این نوع تصویر برداری فعالیت مغزی ثبت می شود، به آن تصویر برداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) گفته می شود.

 

مقدمه ای بر تصویر برداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI)
شکل 2. افزایش سایز رگ ها به علت فعالیت نرونی و در نتیجه افزایش جریان خون در محل فعالیت نورونی

 

 

تصویر برداری تشدید مغناطیسی با وزن انتشاری(ِDWI-MRI):

تصویر برداری تشدید مغناطیسی با وزن انتشاری یک تکنیک تصویر برداری است که از نحوه انتشار مولکول های آب برای ایجاد کنتراست در تصویر استفاده می کند. بر خلاف جهت انتشار مولکولهای آب در یک لیوان آب که در تمام جهت ها یکسان است (همسانگرد است)، جهت انتشار مولکول-های آب در بافت های مختلف متفاوت است، به این معنی که انتشار در تمام جهت ها وجود ندارد و انتشار فقط در یک سری جهت خاص امکان پذیر است (انتشار ناهمسانگرد است).

انتشار ناهمسانگرد اندازه گیری شده به علت ناهمگنی میکروسکوپیک بافت است. در ماده سفید مغز، ناهمسانگردی انتشاری، به علت غشاء سلولی (غشاء میلینی) و یک سویی دسته آکسون ها صورت می گیرد. انتشار ناهمسانگرد، می‏تواند جهت بافت‏های مرتبط را نشان دهد. در ماده سفید مغز جهت انتشار، جهت فیبرهای عصبی را نشان می دهد.

 

تصویر برداری تشدید مغناطیسی با وزن انتشاری(ِDWI-MRI)
شکل 3. انتشار سریع مولکول های آب در طول آکسون و انتشار کند مولکول های آب در جهت عمود بر آکسون.

 

 

پردازش تصاویر تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI):

دو نوع مطالعه fMRI وجود دارد، نوع اولtask-fMRI سعی می کند تا فعالیت مغزی را در هنگام یک فعالیت خاص ثبت کند. این مطالعات، معمولا تحت یک فعالیت شناختی و درکی خاص انجام می شوند و هدف آنها پیدا کردن مناطقی از مغز است که با آن فعالیت شناختی و درکی ارتباط دارند. نوع دیگر مطالعه fMRI، میزان فعالیت مناطق مختلف مغز را در حالتی که شخص هیچی فعالیت مغزی انجام نمی دهد، بررسی می کند که مطالعات rest-fMRI نامیده می شود. معمولا برای پردازش تصاویر fMRI، از دو روش کلی استفاده می شود: روش های بر پایه مدل و روش های مبتنی بر داده.

 

پردازش تصاویر تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI)
شکل 4. نمونه تصویر fMRI آنالیز شده. مناطق فعال با رنگ زرد و نارنجی مشخص شده‌ اند.

 

 

پردازش تصاویر تشدید مغناطیسی با وزن انتشاری(DWI-MRI) :

همانطور که گفته شد، جهت انتشار مولکول های آب در ماده سفید مغز، جهت فیبرهای عصبی موجود در مغز را نشان می دهد. پس در پردازش تصاویر با وزن انتشاری به دنبال یافتن جهت حرکت مولکول های آب هستیم. رایج ترین نوع تصویر با وزن انتشاری (DWI) ، تصویر تانسور انتشار (DTI) است. در پردازش تصاویر DTI (تصویر برداری تانسور انتشار)، یک مدل به اسم تانسور به انتشار مولکول های آب در مغز منطبق می شود. سپس بر اساس تانسور یافته شده می توان پارامتر هایی همچون میزان کروی بودن انتشار، جهت بیشترین انتشار، میانگین انتشار و... را بدست اورد.

 

پردازش تصاویر تشدید مغناطیسی با وزن انتشاری(DWI-MRI)
شکل 5. نمونه تصویر ناهمسانگردی کسری (FA) که از پردازش تصویر با وزن انتشاری بدست آمده است.

 

 

لیست خدمات پردازشی:

پردازش تصاویر fMRI

  • پیش پردازش تصاویر fMRI
  • پردازش داده rest-fMRI به روش ICA
  • پردازش داده task-fMRI با روش GLM

پردازش تصاویر DWI

  • کنترل کیفی (QC) تصاویر DWI
  • پیش پردازش تصاویر DWI
  • آنالیز تصاویر به روش DTI

 

Neuroimaging tools Web Link Platform
3D slicer http://www.slicer.org/ Windows, Linux, Mac
AFNI http://afni.nimh.nih.gov/afni/ Unix
BrainVoyager https://www.pstnet.com/software.cfm?ID=97 Windows, Linux, Mac OS X
CAMINO http://cmic.cs.ucl.ac.uk/camino/ Java
Explore DTI http://www.ExploreDTI.com Windows, Unix, Mac
FreeSurfer http://www.freesurfer.net/ Linux, Mac OS X, Windows
FSL http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/ Linux, Mac OS X, Windows
MRIcro http://www.mricro.com/ Windows, Linux, Mac
MRtrix http://www.brain.org.au/software/ Windows, Unix, Linux,Mac OS X
SPM http://www.fl.ion.ucl.ac.uk/spm/ N/A
Work Bench http://www.humanconnectome.org/software/get-connectome-workbench Linux, Mac OS X, Windows

 

A Review on the Bioinformatics Tools for Neuroimaging, Man et al, Special Issue Neuroscience 2015

 


بکارگیری نرم افزار های متن باز در آزمایشگاه ملی صرفا جنبه علمی – پژوهشی داشته و هیچگونه بهره اقتصادی یا استفاده تجاری از این خدمات، عاید آزمایشگاه نمی شود.