8 η Ενότητα: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΛΩΝ IN VIVO ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ 8 η Ενότητα: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΛΩΝ IN VIVO ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ Κατερίνα Κωνσταντίνου, PhD Τμήμα Βιολογίας Πανεπιστήμιο Πατρών Εαρινό Εξάμηνο Ακαδ. Έτος

2 Σύνοψη Οι βασικές αρχές της αξονικής (ή ψηφιακής) τομογραφίας (X-ray Computed Tomography - X-ray CT). Σύγχρονες εξελίξεις της συγκεκριμένης τεχνολογίας που οδήγησαν στην ανάπτυξη της τεχνικής της αξονικής τομογραφίας εκπομπής μονήρους φωτονίου (Single-Photon Emission Computed Tomography SPECT). Οι βασικές αρχές της μαγνητικής τομογραφίας (Magnetic Resonance Imaging MRI) και η σύγκρισή της (πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα) με την αξονική τομογραφία. Σύγχρονες εξελίξεις στην ανάπτυξη της λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας (functional Magnetic Resonance Imaging fmri). Οι βασικές αρχές της in vivo θερμιδομετρίας στον άνθρωπο και το πειραματόζωο

3 Πλεονεκτήματα των τομογραφικών έναντι δισδιάστατων απεικονίσεων Ένα βασικό πρόβλημα στην συμβατική ακτινογραφία ακτίνων Χ είναι ότι οι εικόνες που λαμβάνονται είναι 2D προβολές κατανομής πηγών 3D. Οι εικόνες των δομών σε ένα βάθος στον ασθενή είναι συνεπώς συγκεκαλυμμένες με υπέρθεση εικόνων υπερκείμενων και υποκείμενων δομών. Μια λύση είναι η λήψη τομογραφικής απεικόνισης (3D εικόνες = πολλαπλές 2D τομές ενός 3D αντικειμένου). Οι τομογραφικές απεικονίσεις είναι σε θέση να παρέχουν ακριβέστερη ποσοτικοποίηση της δραστηριότητας σε συγκεκριμένες θέσεις εντός του σώματος

4 Τομογραφικές εικόνες Ο «τόμος» έχει ελληνική προέλευση και σημαίνει κοπή ή τομή Οι σύγχρονες τεχνικές ψηφιακής τομογραφίας, συμπεριλαμβανομένης της ψηφιακής τομογραφίας ακτίνων Χ (X-ray CT), της τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET) και της τομογραφίας εκπομπής μονήρων φωτονίων (SPECT), χρησιμοποιούν συστήματα ανιχνευτών περιστρεφόμενα γύρω από το αντικείμενο έτσι ώστε να λαμβάνονται πολλές διαφορετικές γωνιακές απόψεις (γνωστές ως προβολές) του αντικειμένου. Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται μαθηματικοί αλγόριθμοι για την αναδημιουργία εικόνων από επιλεγμένα επίπεδα εντός του αντικειμένου από αυτά τα δεδομένα προβολής. Η ανασυγκρότηση εικόνων από πολλαπλές προβολές της ανιχνευθείσας εκπομπής από ραδιονουκλεΐδια μέσα στο σώμα είναι γνωστή ως ψηφιακή τομογραφία εκπομπής (ECT)

5 Αξονική (ή ψηφιακή) τομογραφία (X-ray Computed Tomography - X-ray CT). / !Head_CT_scan.jpg

6 Εισαγωγή Η αξονική ή ψηφιακή τομογραφία, CT για συντομία (επίσης αναφέρεται ως CAT, Computed Axial Tomography), χρησιμοποιεί την τεχνολογία των ακτίνων Χ και εξελιγμένους υπολογιστές για να δημιουργήσει εικόνες διατομών μέσα από το σώμα. Η απεικονίση CT και η σάρωση CAT παρέχουν μια γρήγορη επισκόπηση των παθολογιών και επιτρέπουν την ταχεία ανάλυση και θεραπευτικά σχέδια. Η τομογραφία είναι ένας όρος που αναφέρεται στην ικανότητα να βλέπετε ένα ανατομικό τμήμα ή τομή μέσα από το σώμα. Οι ανατομικές εγκάρσιες τομές αναφέρονται συνήθως στην εγκάρσια αξονική τομογραφία. Ο ανιχνευτής αξονικής τομογραφίας αναπτύχθηκε από τον Godfrey Hounsfield στα τέλη της δεκαετίας του Ο σωλήνας ακτίνων Χ σε ένα CT σαρωτή έχει σχεδιαστεί για να παράγει δέσμη ακτίνων Χ που διασπείρονται και η ακτίνα διασποράς είναι περίπου τόσο μεγάλη όσο το σώμα σας.

7 Εισαγωγή Η απεικόνιση CT παράγει εικόνες εγκάρσιας τομής και έχει επίσης τη δυνατότητα να διαφοροποιεί τις πυκνότητες των ιστών, γεγονός που δημιουργεί μια βελτίωση στην ανάλυση αντίθεσης. Αυτό το σύστημα με ακτίνες Χ δημιούργησε πληροφορίες προβολής των ακτίνων Χ που διέρχονται από ένα αντικείμενο από πολλά σημεία του αντικειμένου και από πολλές γωνίες (προβολές). Η εξασθένηση του ιστού μετράται σε μια μεγάλη περιοχή από μία θέση του σωλήνα ακτίνων Χ Απέναντι από τον ασθενή είναι μια σειρά από ανιχνευτές που μετρούν την ένταση της δέσμης ακτίνων Χ σε σημεία πλευρικά διαμέσου του σώματος των ασθενών.

8 Τα βασικά... Οι ακτίνες Χ παράγονται σε ένα τμήμα του δακτυλίου και ο δακτύλιος μπορεί να περιστραφεί γύρω από τον ασθενή. Ο δακτύλιος στόχος περιέχει μια σειρά ανιχνευτών και ψύχεται εσωτερικά έτσι ώστε να μειώνεται ο ηλεκτρονικός θόρυβος και να ψύχεται η άνοδος. Ο ασθενής μπαίνει στο σύστημα χρησιμοποιώντας έναν μετακινούμενο καναπέ

9 Η δημιουργία της εικόνας... Ο σωλήνας ακτίνων Χ και οι ανιχνευτές περιστρέφονται γύρω από τον ασθενή και ο καναπές μετακινείται μέσα στο μηχάνημα. Αυτό παράγει ένα μοτίβο ελικοειδούς σάρωσης γύρω από τον ασθενή. Το άνοιγμα του ασθενούς έχει διάμετρο περίπου 70 cm. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τους ανιχνευτές από κάθε διατομή σάρωσης αποθηκεύονται ηλεκτρονικά και επεξεργάζονται μαθηματικά για να δημιουργηθεί ψηφιακή απεικόνιση μιας εγκάρσιας τομής του σώματος. Μπορούν να ληφθούν πληροφορίες τριών διαστάσεων συγκρίνοντας τις τομές που λαμβάνονται σε διαφορετικά σημεία του σώματος ή ο ίδιος ο υπολογιστής μπορεί να δημιουργήσει μια τρισδιάστατη εικόνα, στοιβάζοντας μαζί τομές. Καθώς ο ανιχνευτής περιστρέφεταιλαμβάνονται πολλές εικόνες εγκάρσιας τομής και μετά από μία πλήρη τροχιά, ο καναπές κινείται προς τα εμπρός.

10 Η δημιουργία της εικόνας... Εδώ ο σωλήνας ακτίνων Χ και η συστοιχία ανιχνευτών κάνουν πολλές σαρρώσεις του αντικειμένου. Ο σωλήνας ακτίνων Χ και η συστοιχία ανιχνευτών μπορούν να περιστραφούν γύρω από τον άξονα του ασθενούς.

11 Η δημιουργία της εικόνας... Pixel τετράγωνο στοιχείο εικόνας δύο διαστάσεων (2D) σε απόχρωση του γκρι. Voxel τρσιδιάστατο στοιχείο όγκου σε απόχρωση του γκρι. Το voxel είναι το αποτέλεσμα ενός μέσου υπολογισμού των συντελεστών εξασθένησης σε ένα μικρό όγκο υλικού. Αυτό παρέχει πληροφορίες βάθους. Κάθε voxel είναι περίπου 1mm στη μία πλευρά του και 2-10mm ύψος ανάλογα με το βάθος της δέσμης ακτίνων Χ σάρωσης.

12 Η δημιουργία της εικόνας... Οι ανιχνευτές βλέπουν τις προβαλλόμενες προβολές των ακτίνων Χ και μετράνε την έντασή τους δεδομένου ότι είναι γνωστή η ένταση ακτίνων Χ χωρίς το παρόν σώμα (Νο). Η ένταση Ni γράφεται ως άθροισμα των συντελεστών εξασθένησης κατά μήκος μιας δεδομένης διαδρομής ακτίνων Χ. Αυτό δημιουργεί μια σκιά γκρίζου και έναν αριθμό που σχετίζεται με αυτή τη σκιά. Στη συνέχεια, ο ανιχνευτής αλλάζει γωνίες και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Οι εικόνες ανακατασκευάζονται με μια μέθοδο που ονομάζεται οπίσθια προβολή ή ανίχνευση προς τα πίσω κατά μήκος της διαδρομής προς τα εμπρός για την αναδόμηση της εικόνας και τον υπολογισμό της απορρόφησης λόγω μιας τοπικής περιοχής. Αυτή είναι μια μαθηματικά κουραστική διαδικασία, αλλά αντιμετωπίζεται εύκολα με υπολογιστές.

13 Η δημιουργία της εικόνας... Εδώ βλέπουμε ότι υπάρχουν κάποιες ανοιχτόχρωμες και κάποιες πιο σκούρες περιοχές, αλλά δεν γνωρίζουμε αν οι περιοχές φωτός / σκότους είναι ψηλά, χαμηλά ή στη μέση. Με άλλα λόγια, ξέρουμε π.χ. που είναι η περιοχή φωτός οριζόντια αλλά όχι κάθετα. Τώρα κάνουμε μια κάθετη σάρωση και παίρνουμε τις ανοιχτές / σκοτεινές κηλίδες των οποίων η θέση γνωρίζουμε πλέον και κατακόρυφα και τις «επαλείφουμε" σε όλες τις οριζόντιες θέσεις. Μπορείτε να δείτε πως περνούν κάθετα οι φωτεινές περιοχές και γίνεται ακόμα πιο φωτεινή η περιοχή και έτσι μπορούμε να αρχίσουμε να σχηματίζουμε μια εικόνα. Με την "προσθήκη" περισσότερων σκιών οι μεσαίες γραμμές φωτός τελικά θα εξαφανιστούν και θα έχουμε μια πλήρη εικόνα.

14 - Μονάδες Hounsfield ή αριθμοί CT Οι αριθμοί CT (ή οι μονάδες Hounsfield) αντιπροσωπεύουν την εκατοστιαία διαφορά μεταξύ του συντελεστή εξασθένησης ακτίνων Χ για ένα voxel και εκείνου του νερού πολλαπλασιασμένου επί Το νερό έχει έναν αριθμό CT μηδέν και οι αριθμοί μπορούν να είναι θετικοί ή αρνητικοί ανάλογα με τον συντελεστή απορρόφησης. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο δίνουμε μια σκιά γκρι, και το 1000 είναι απλώς ένας παράγοντας κλιμάκωσης που έχει οριστεί από τον κατασκευαστή CT. CT# tissue water 1000 water

15 Η ποιότητα της απεικόνισης Ανάλυση αντίθεσης (contrast resolution)- Η ικανότητα να διαφοροποιείται οπτικά η διαφορετική πυκνότητα ιστών στην εικόνα Υψηλή Αντίθεση (high resolution)- H ικανότητα να βλέπετε μικρά αντικείμενα και λεπτομέρειες που έχουν μεγάλη διαφορά πυκνότητας σε σχέση με το υπόβαθρο και μεταξύ τους. - Ικανότητα να δείτε μια μικρή, πυκνή βλάβη στον ιστό των πνευμόνων και να δείτε αντικείμενα όπου τα οστά και ο μαλακός ιστός είναι δίπλα-δίπλα. Χαμηλή Αντίθεση- Ικανότητα απεικόνισης αντικειμένων που έχουν πολύ μικρή διαφορά στην πυκνότητα μεταξύ τους. - Είναι καλύτερη επιλογή όταν υπάρχει πολύ χαμηλός θόρυβος αλλά και για την απεικόνιση των αλλοιώσεων του μαλακού ιστού στο ήπαρ. - Οι σαρώσεις χαμηλής αντίθεσης μπορούν να διαφοροποιήσουν τη φαιά από την λευκή ουσία στον εγκέφαλο.

16 Απεικονιστικά τεχνουργήματα - Artifacts Τα απεικονιστικά τεχνουργήματα μειώνουν την ποιότητα της απεικόνισης και φυσικά επηρεάζουν την ανιχνευσιμότητα των λεπτομερειών. Διακρίνονται: Σύρσιμο- οφείλεται σε κίνηση του ασθενούς, παρουσία μετάλλου, ύπαρξη θορύβου, ή μηχανική βλάβη. Δακτύλιοι και ζώνες προβλήματα στον ανιχνευτή Σκίαση μη ολοκληρωμένες προβολές των ακτίνων Χ Σύρσιμο Δακτύλιοι και ζώνες Σκίαση

17 Πλεονεκτήματα: Λαμβάνεται ικανοποιητική λεπτομέρεια εικόνας Πραγματοποιείται γρήγορη απόδοση εικόνας Τα φίλτρα ενδέχεται να οξύνουν ή να εξομαλύνουν τις ανακατασκευασμένες εικόνες Τα ακατέργαστα δεδομένα μπορούν να ανασυσταθούν μετά την απόκτηση με μια ποικιλία φίλτρων Μειονεκτήματα Μπορεί να χρειαστούν πολλές ανακατασκευές των ακατέργαστων δεδομένων εάν απαιτούνται σημαντικές λεπτομέρειες από τις περιοχές της μελέτης που περιέχουν οστά και μαλακό ιστό Απαιτεί ανιχνευτές υψηλής ποιότητας και ειδικό λογισμικό ηλεκτρονικών υπολογιστών Έκθεση σε ακτίνες Χ

18 Αξονική τομογραφία εκπομπής μονήρους φωτονίου (Single-Photon Emission Computed Tomography SPECT). Η κίνηση της κάμερας SPECT γύρω από το αντικείμενο

19 Κάμερες SPECT Οι κάμερες SPECT λμβάνουν πολλαπλές επίπεδες όψεις της ραδιενέργειας σε ένα όργανο. Οι διαδοχικές επίπεδες απόψεις που αποκτούνται κατά τη διάρκεια της τομογραφικής λήψης ονομάζονται όψεις προβολής Τα δεδομένα στη συνέχεια επεξεργάζονται μαθηματικά για να δημιουργήσουν όψεις της διατομής του οργάνου Το SPECT χρησιμοποιεί τα μεμονωμένα φωτόνια που εκπέμπονται από ραδιονουκλίδια που εκπέμπουν γ ακτίνες όπως το 99 mtc, 67 Ga, 111 In και το 123 I. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET), η οποία χρησιμοποιεί τα ζευγαρωμένα φωτόνια 511-KeV που προέρχονται από την εξουδετέρωση ποζιτρονίων από ηλεκτρόνια.

20 Κάμερες SPECT Ο απλούστερος σχεδιασμός κάμερας για απεικόνιση SPECT είναι παρόμοιος με αυτόν μιας επίπεδης κάμερας αλλά με δύο επιπλέον χαρακτηριστικά Πρώτον: Η κάμερα SPECT είναι κατασκευασμένη έτσι ώστε η κεφαλή να μπορεί να περιστρέφεται είτε σταδιακά είτε συνεχώς γύρω από τον ασθενή για να αποκτήσει πολλαπλές προβολές. Δεύτερον: Είναι εξοπλισμένη με έναν υπολογιστή που ενσωματώνει τις πολλαπλές εικόνες για να παράγει τις όψεις εγκάρσιας τομής του οργάνου Τα πιο εξελιγμένα σχέδια κάμερας SPECT έχουν περισσότερες από μία κεφαλές ή είναι κατασκευασμένα με δακτύλιο ανιχνευτών. Στην περίπτωση των μονής και πολλαπλής κεφαλής καμερών, οι κεφαλές περιστρέφονται μηχανικά γύρω από τον ασθενή για να αποκτήσουν τις όψεις πολλαπλών προβολών. Οι δακτυλιοειδείς ανιχνευτές αποτελούνται είτε από πολλούς περιστρεφόμενους κρυστάλλους είτε από έναν κρύσταλλο σχήματος donat, ο οποίος δεν περιστρέφεται

21 Τύποι κάμερας SPECT 1. SPECT κάμερα με ένα μη περιστρεφόμενο κρύσταλλο σχήματoς donat

22 Τύποι κάμερας SPECT 2. SPECT κάμερα με γωνίες περιστροφής Οι κάμερες μιας κεφαλής πρέπει να περιστρέφονται σε πλήρη στροφή 360 μοιρών για να αποκτήσουν όλες τις απαραίτητες προβολές των περισσότερων οργάνων. Αντίθετα, κάθε κεφαλή μιας κάμερας διπλής κεφαλής πρέπει να περιστραφεί μόνο κατά το ήμισυ (δηλ. μέχρι 180 μοίρες) και μια κάμερα τριπλής κεφαλής μόνο 120 μοίρες προκειμένου να αποκτήσεις τις ίδιες όψεις με μία κάμερα μονής κεφαλής. Το κόστος των πρόσθετων κεφαλών πρέπει να εξισορροπηθεί με τα οφέλη της αυξημένης ταχύτητας απόκτησης των απεικονίσεων. Κάμερα SPECT τριπλής κεφαλής

23 Όψεις τομογραφικής προβολής Οι όψεις τομογραφικής προβολής αποκτώνται συχνότερα σε ένα τόξο 360 ή 180 μοιρών. Το τόξο περιστροφής των κεφαλών κάμερας κατά 360 χρησιμοποιείται τακτικά για τα περισσότερα όργανα και στο σπινθηρογράφημα οστών. Το τόξο των 180 μοιρών χρησιμοποιείται για όργανα που είναι τοποθετημένα στη μία πλευρά του σώματος, όπως η καρδιά. Οι όψεις της καρδιάς λαμβάνονται σε τόξο 180 μοιρών που εκτείνεται από τη δεξιά εμπρόσθια λοξή θέση στην αριστερή πλάγια λοξή θέση. Σε ένα πλήρες τόξο 360 μοιρών, συνήθως συλλέγονται 64 ή 128 τομογραφικές προβολές. Ομοίως 32 ή 64 τομογραφικές προβολές γενικά λαμβάνονται σε τόξο 180 μοιρών.

24 Το τόξο των 180 μοιρών

25 Μέθοδοι συλλογής δεδομένων Step-and-Shoot Σε αυτή την τεχνική, κάθε τομογραφική προβολή αποκτάται εξ ολοκλήρου σε κάθε γωνιακή θέση. Υπάρχει μια σύντομη παύση μερικών δευτερολέπτων μεταξύ των προβολών για να επιτραπεί η αυτόματη περιστροφή της κεφαλής της κάμερας στην επόμενη θέση. Η κάμερα κάνει μια μόνο περιστροφή γύρω από τον ασθενή. Συνεχής λήψη δεδομένων Κατά τη συνεχή λήψη δεδομέων, τα δεδομένα συλλέγονται κατά μία ή περισσότερες διαδοχικές περιστροφές 360 μοιρών. Δεν υπάρχει παύση. Η περιστροφή είναι συνεχής.

26 Ανασυγκρότηση τομογραφικών απεικονίσεων σε 3D δομές Ειδικά υπολογιστικά προγράμματα που χρησιμοποιούν αλγορίθμους

27 Μαγνητική Τομογραφία (Magnetic Resonance Imaging MRI) 1. Σε εξωτερικά εφαρμοζόμενο στατικό μαγνητικό πεδίο, ατομικοί πυρήνες με περιττό αριθμό νουκλεονίων (πρωτόνια + νετρόνια) εκτελούν μετάπτωση. Δηλ. ο άξονας περιστροφής τους αρχίζει στρέφεται κυματοειδώς. 2. Ο ρυθμός περιστροφής καθορίζεται τόσο από τις ιδιότητες του ατόμου όσο και από τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. 3. Τα άτομα υδρογόνου σε ένα μαγνητικό πεδίο 1,5 Tesla μεταπίπτουν στη συχνότητα ~ 64 MHz, η οποία ανήκει στο εύρος ραδιοσυχνοτήτων [rf]. 4. Μετά από μερικά δευτερόλεπτα σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι άξονες περιστροφής ενός μικρού κλάσματος σχετικών πυρήνων ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους. Δηλ. οι άξονες τους κυματίζουν με τον ίδιο τρόπο. 5. Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου καθορίζει πόσο μεγάλο θα είναι το κλάσμα των σχετικών πυρήνων που θα ευθυγραμιστούν. 6. Οι άξονες περιστροφής είναι ευθυγραμμισμένοι, αλλά δεν μεταπίπτουν ακόμη.

28 7. Η ευθυγράμμιση των αξόνων περιστροφής των πυρήνων προκαλεί ολόκληρο το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τους περιστρεφόμενους πυρήνες να μεταπέσει γύρω από τον άξονα του στατικού μαγνητικού πεδίου 8. Ένας ηλεκτρομαγνητικός παλμός με ένα στενό φάσμα ραδιοσυχνοτήτων (παλμός rf) εφαρμόζεται στους ευθυγραμμισμένους πυρήνες στο στατικό μαγνητικό πεδίο 9. Όταν η συχνότητα των ηλεκτρομγνητικών παλμών = συχνότητα μετάπτωσής τους, οι πυρήνες συντονίζονται σε αυτή τη συχνότητα. Δηλ. όλοι οι περιστροφέμενοι πυρήνες βρίσκονται «σε φάση» μεταξύ τους. 10. Το πλάτος της ταλάντωσης ολόκληρου του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από τους περιστρεφόμενους πυρήνες αυξάνεται (= ο άξονας περιστροφής τους πιέζεται μακρύτερα) 11. Ο βαθμός στον οποίο ο άξονας περιστροφής κινείται (= γωνία κλίσης) εξαρτάται από την ένταση και τη διάρκεια του παλμού rf

29 Τι είναι χρήσιμο από αυτά; Λαμβάνει χαρακτηριστικό χρονικό διάστημα για τους πυρήνες: Για να βγούν από τη φάση (= de-phase) Να εγκατασταθούν στο αρχικό εύρος της ταλάντευσης στο σταθερό μαγνητικό πεδίο Ο χρόνος εξαρτάται από τα είδη των μορίων στα οποία ανήκουν τα άτομα αυτά Καθώς οι πυρήνες καθίστανται ξανά σε ευθυγράμμιση με το σταθερό πεδίο, Εκπέμπουν οι ίδιοι μετρήσιμη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια Υπάρχουν παραλλαγές στο χρόνο που οι πυρήνες χρειάζονται για να απομακρυνθούν και να εγκατασταθούν στην αρχική ταλάντωση στο σταθερό μαγνητικό πεδίο και αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση μεταξύ διαφορετικών ουσιών

30 Πως αυτό κάνει δυνατή μια απεικόνιση; Πώς ξέρετε από πού προέρχεται η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που προσδιορίζεται; Με την χρήση διαβαθμισμένων μαγνητικών πεδίων (Lauterbur, Nobel Prize) Αρχικά χρησιμοποιείται μαγνητικό πεδίο με βαθμίδωση ισχύος σε μια μόνη στενή ζώνη του 1,5 Tesla Σε αυτή τη ζώνη, μόνο άτομα υδρογόνου αποκρίνονται σε παλμό 64 MHz Έτσι, η απάντηση πρέπει να προέρχεται από άτομα μέσα στο τμήμα 1,5 T του πεδίου Ακολούθως, η θέση μετατόπισης της μπάντας 1,5 T συνεχίζει να μετακινείται έως ότου εντοπιστεί η πηγή απόκρισης στους επαναλαμβανόμενους παλμούς rf ("φέτες") Η στενότητα της ζώνης καθορίζει την λεπτομέρεια στον εντοπισμό της απόκρισης

31 Siemens Allegra 3T Biomedical Imaging Center (BIC)

32 Το σταθερό μαγνητικό πεδίο είναι πάντα ενεργό!!!!!

33 Δομικό (Structural) MRI Οι ανατομικές σαρώσεις γενικά μετρούν τα άτομα υδρογόνου στο νερό Εφόσον διαφορετικά είδη ιστών έχουν διαφορετικές αναλογίες νερού Δεν απεικονίζει λειτουργίες

34 Λειτουργικό (Functional) MRI Η μετρηθείσα ουσία είναι η αιμοσφαιρίνη (σίδηρος) στο αίμα - Η ροή του αίματος αυξάνεται στις ενεργές περιοχές του εγκεφάλου ή στον καρκίνο - Αυξάνει περισσότερο από ό, τι απαιτείται συνήθως -Έτσι, ο λόγος του απο-οξυγονωμένου προς οξυγονωμένο αίμα μειώνεται Η οξυγονωμένη και απο-οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη ανταποκρίνεται διαφορετικά σε παλμούς μαγνητικού πεδίου και rf - Έτσι, δύναται να ανιχνευτεί η αναλογία του οξυγονωμένου προς το αποοξυγονωμένο αίμα κατά τη διάρκεια ή μετά από κάποιο συμβάν - Χρειάζονται 6-9 δευτερόλεπτα για την κορύφωση της απόκρισης - Η ταχύτερη αξιόπιστη ανίχνευση πριν από την κορύφωση είναι τα 2 4 sec - Η ένταση του σήματος αλλάζει πολύ λίγο - γενικά λιγότερο από 1%

35

36

37 Χωρική ανάλυση: -Τελικό πιθανό όριο της χωρικής ανάλυσης είναι τα όρια του κυκλοφορικού συστήματος -Χειρότερη χωρική ανάλυση από τη δομική μαγνητική τομογραφία Χρονική ανάλυση: - Εφόσον, η ροή του αίματος είναι αυτό που μετράται, ποτέ δεν θα είναι ταχύτερη από τα δευτερόλεπτα. - Γίνονται μελέτες για την ανίχνευση της σύντομης αρχικής μείωσης του οξυγονωμένου αίματος που προηγείται πάντα της αυξημένης ροής αίματος για αύξηση των χρονικών περιορισμών της μεθόδου (έχει αξία στην λειτουργική μελέτη του εγκεφάλου) - Γίνεται προσπάθεια για την απεικόνιση και άλλων ουσιών πλην της αιμοσφαιρίνης

38 Χρησιμοποιήστε της αφαιρετική λογική για την λειτουργική μελέτη του εγκεφάλου - Το μεγαλύτερο μέρος του εγκεφάλου είναι ενεργό κατά τα περισσότερα γεγονότα. - Προσπαθήστε να απομονώσετε περιοχές που είναι συγκεκριμένες σε κάποια πτυχή του γεγονότος ενδιαφέροντος. - Έτσι, κατασκευάστε 2 συνθήκες που πιστεύετε ότι έχουν μόνο κάποια κρίσιμη ενδιαφέρουσα διαφορά. - Αντιμετωπίστε ένα ως βασική γραμμή και αφαιρέστε το από το άλλο, για να απαλλαγείτε από τη δραστηριότητα που έχουν οι δύο συνθήκες και αναλύστε (μέρος) τι έχει απομείνει.

39 in vivo θερμιδομετρία Επισκόπηση της μεταφοράς ενέργειας κατά τη διάρκεια της άσκησης Η επικαλυπτόμενη περιοχή αντιπροσωπεύει γενικότητα. Για κάθε ενεργειακό σύστημα, η εξειδίκευση υπερβαίνει τη γενικότητα. Οι επιδράσεις της άσκησης παραμένουν ιδιαίτερα εξειδικευμένες

40 Επισκόπηση της μεταφοράς ενέργειας κατά τη διάρκεια της άσκησης Κατά την έναρξη κινήσεων υψηλής ή χαμηλής ταχύτητας, τα ενδομυϊκά φωσφογόνα παρέχουν άμεση και μη αερόβια ενέργεια. Μετά από λίγα δευτερόλεπτα, το γλυκολυτικό σύστημα ενέργειας παρέχει το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής ενέργειας. Η συνέχεια της άσκησης, θέτει μεγαλύτερη ζήτηση σε αερόβια μονοπάτια.

41 Η χρησιμότητα της θερμιδομετρίας για τον προσδιορισμό της ενεργειακής δαπάνης σε κατάσταση ηρεμίας και κατά την διάρκεια άσκησης

42 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Άμεση θερμιδομετρία Απόδοση του μεταβολισμού υποστρωμάτων 40% της ενέργειας του υποστρώματος ATP 60% της ενέργειας του υποστρώματος θερμότητα Η παραγωγή θερμότητας αυξάνεται με την παραγωγή ενέργειας Μπορεί να μετρηθεί με θερμιδόμετρο Το νερό ρέει μέσα από τα τοιχώματα του θερμοδόμετρου Η θερμοκρασία του σώματος αυξάνει τη θερμοκρασία του νερού

43 Θερμιδόμετρο

44 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Άμεση θερμιδομετρία Πλεονεκτήματα - Ακριβής με την πάροδο του χρόνου - Καλό για μεταβολικές μετρήσεις ανάπαυσης Μειονεκτήματα - Ακριβή μέθοδος, αργή - Ο εξοπλισμός άσκησης προσθέτει επιπλέον θερμότητα - Ο ιδρώτας δημιουργεί σφάλματα στις μετρήσεις - Δεν είναι πρακτικό ή ακριβές για άσκηση

45 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Έμμεση θερμιδομετρία

46 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Έμμεση θερμιδομετρία και προσδιορισμός του ρυθμού ανταλλαγής αναπνευστικών αερίων Υπολογίζει τη συνολική δαπάνη ενέργειας του σώματος με βάση το χρησιμοποιούμενο Ο 2, και το CO 2 που παράγεται - Μετρά τις συγκεντρώσεις των αερίων αναπνοής - Είναι ακριβής μόνο για οξειδωτικό μεταβολισμό σταθερής κατάστασης VO 2 : ο όγκος του O 2 που καταναλώνεται ανά λεπτό - Ρυθμός κατανάλωσης O 2 - Όγκος εισπνεόμενου O 2 - όγκος εκπνεόμενου O 2 στην μονάδα του χρόνου VCO 2 : όγκος CO 2 που παράγεται ανά λεπτό - Ρυθμός παραγωγής CO 2 - Όγκος εκπνεόμενου CO 2 - όγκος εισπνεόμενου CΟ 2 στη μονάδα του χρόνου

47 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Ρυθμός ανταλλαγής αναπνευστικών αερίων Ρυθμός ανταλλαγής αναπνευστικών αερίων (Respiratory Exchange Ratio - RER) - Αναλογία μεταξύ ποσοστών παραγωγής CO 2 και χρήσης O 2 -RER = V CO2 / V O2 Η χρήση του O 2 κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού εξαρτάται από τον τύπο του καυσίμου που οξειδώνεται άρα και από το είδος της διατροφής - Όσο περισσότερα άτομα άνθρακα στο μόριο, τόσο περισσότερα μόρια O 2 χρειάζονται για την κάυση του - π.χ. Γλυκόζη (C 6 H 12 O 6 ) <παλμιτικό οξύ (C 16 H 32 O 2 )

48 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Ρυθμός αναπνευστικής ανταλλαγής Respiratory Exchange Rate - RER RER για 1 μόριο γλυκόζης = 1,0 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 6 CO Η 2 Ο + 32 ΑΤΡ RER = V CO2 / V O2 = 6CO 2 / 6O 2 = 1,0 RER για 1 μόριο παλμιτικού οξέος = 0,70 23 O 2 + C 16 H 32 O 2 16 CO Η 2 Ο ΑΤΡ RER = V CO2 / V O2 = 16C0 2 / 23O 2 = 0,70 Προβλέπει τη χρήση του υποστρώματος και με την χρήση μαθηματικών υπολογισμών την ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση του σε Kcal / LO 2

49

50 Μέτρηση των ενεργειακών δαπανών: Ρυθμός ανταλλαγής αναπνευστικών αερίων Περιορισμοί Η παραγωγή CO 2 μπορεί να μην είναι = την εκπνοή CO 2 Το RER είναι ανακριβές για την οξείδωση των πρωτεϊνών Το RER πλησίον του 1.0 μπορεί να είναι ανακριβές όταν σύνθεση γαλακτικού οξέος επάγει αύξηση στην εκπνοή CO 2 Η γλυκονεογένεση παράγει RER <0,70

51 Μεταβολικός Ρυθμός Metabolic Rate Μεταβολικός ρυθμός: Ο ρυθμός κατανάλωσης ενέργειας από τον οργανισμό και είναι διαφορετικός σε κατάσταση ηρεμίας και κατά την διάρκεια άσκησης Η εξίσωση Weir συσχετίζει το μεταβολικό ρυθμό με την κατανάλωση Ο 2 και την παραγωγή CO 2 ως εξής: Μεταβολικός ρυθμός (kcal per day) = 1.44 (3.94 VO VCO 2 ) όπου VO 2 είναι ο ρυθμός κατανάλωσης Ο 2 σε millilitres per minute (ml/min) και VCO 2 είναι ο ρυθμός παραγωγής CO 2 σε millilitres per minute (ml/min) H ίδια εξίσωση σε μονάδες calories per minute έχει ως εξής: Μεταβολικός ρυθμός (cal per minute) = 3.94 VO VCO 2

52 Βασικός Μεταβολικός Ρυθμός Basal Metabolic Rate (BMR) O Βασικός Μεταβολικός Ρυθμός απεικονίζει στην ουσία την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διατήρηση της ζωής και υπολογίζεται κάτω από αυστηρές συνθήκες φυσιολογικής ισσοροπίας. Ο βασικός μεταβολικός ρυθμός είναι ο ρυθμός ενεργειακής δαπάνης που απαιτείται σε πλήρη ανάπαυση για όλες τις κυτταρικές λειτουργίες, τη διατήρηση των συστημάτων του σώματος και τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος. Προσδιορίζεται πριν το άτομο ξυπνήσει το πρωί μετά από 8 ώρες ύπνου και μετά από νηστεία για τουλάχιστον 12 ώρες, απαιτώντας διανυκτέρευση υπό ελεγχόμενες συνθήκες στο εργαστήριο. Ο βασικός μεταβολικός ρυθμός επηρεάζει το ρυθμό που ένα άτομο καίει θερμίδες και τελικά αν αυτό το άτομο διατηρεί, κερδίζει ή χάνει βάρος. Ο βασικός μεταβολικός ρυθμός αντιπροσωπεύει περίπου το 60 έως 75% των ημερήσιων δαπανών θερμίδων. Το BMR συνήθως μειώνεται κατά 1-2% ανά δεκαετία μετά την ηλικία των 20 ετών, κυρίως λόγω απώλειας μάζας σώματος χωρίς λίπος, αν και η διακύμανση μεταξύ των ατόμων είναι υψηλή.

53 Βασικός Μεταβολικός Ρυθμός Basal Metabolic Rate (BMR) Συνήθως εκτιμάται με έμμεση θερμιδομετρία σε κατάσταση αυστηρής ηρεμίας όπου προσδιορίζονται η πρόσληψη οξυγόνου και η παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα και η σχέση τους με την ισοδύναμη απελευθέρωση ενέργειας σε kj ή kcal ανά λεπτό. Κατάσταση αυστηρής ηρεμίας για τον προσδιορισμό του BMR ορίζεται ως: - σώμα σε ήπτια θέση - θερμοουδέτερο περιβάλλον -μετά από 8h ύπνου και 12h νηστείας Ο βασικός μεταβολικός ρυθμός εξαρτάται από τη μάζα του σώματος χωρίς το λίπος (kcal kg μάζας του σώματος χωρίς το λίπος -1 min -1 ) και επηρεάζεται από την επιφάνεια του σώματος, την ηλικία, το άγχος, τις ορμόνες, τη θερμοκρασία του σώματος Με βάση την κατανάλωση Ο 2 σε ολόκληρο το σώμα και το αντίστοιχο θερμιδικό ισοδύναμο από την εξίσωση Weir Σε κατάσταση αυστηρης ηρεμίας, το RER 0,80 και το V O2 0.3 L / min και ο βασικός μεταβολικός ρυθμός kcal / ημέρα για τον μέσο άνθρωπο

54 Μεταβολικός Ρυθμός Ανάπαυσης Resting metabolic rate (RMR) Ο μεταβολικός ρυθμός ανάπαυσης είναι παρόμοιος με τον βασικό μεταβολικό ρυθμό ( 5-10% του BMR) αλλά προσδιορίζεται ευκολότερα διότι Δεν απαιτεί αυστηρές τυποποιημένες συνθήκες ηρεμίας και έτσι το άτομο δεν χρειάζεται να παραμείνει στο εργαστήριο. Ο μεταβολικός ρυθμός ανάπαυσης είναι 1,200 έως 2,400 kcal / ημέρα για το μέσο άτομο Είναι το ίδιο το RMR και το BMR; Περίπου, εκτός από το γεγονός ότι το BMR είναι λίγο πιο ακριβής ανάγνωση. Ωστόσο, και τα δύο διαδραματίζουν σοβαρό ρόλο στη διαδικασία της απώλειας ή διατήρησης του βάρους.

55 Αδρά, ο μεταβολικός ρυθμός ανάπαυσης προσδιορίζεται και χρησιμοποιώντας την εξίσωση Mifflin-St Jeor: Male: RMR = 10 weight height - 5 age + 5 Female: RMR = 10 weight height - 5 age 161 weight in kilograms, the height in centimeters, and the age in years

56 Για τον προσδιορισμό των απαραίτητων ημερήσιων θερμιδικών αναγκών, το RMR πολλαπλασιάζεται με κατάλληλο συντελεστή, ως εξής: = καθιστική ζωή (little or no exercise) = μικρή δραστηριότητα (light exercise/sports 1-3 days/week, approx. 590 Cal/day) = μέση δραστηριότητα (moderate exercise/sports 3-5 days/week, approx. 870 Cal/day) = υψηλή δραστηριότητα(hard exercise/sports 6-7 days a week, approx Cal/day) = πολύ υψηλή δραστηριότητα (very hard exercise/sports and physical job, approx Cal/day)

57 Ο μεταβολικός ρυθμός κατά την διάρκεια άσκησης Στην αρχή της άσκησης Οι απαιτήσεις σε O 2 κατανάλωση O 2 Το σώμα παρουσιάζει έλλειμμα O 2 Εάν οι απαιτήσεις σε O 2 εξισωθούν με την κατανάλωσή του σε αυτό το στάδιο, χρησιμοποιούνται αναερόβιες οδοί για την παραγωγή ΑΤΡ Μετά το τέλος της άσκησης, η κατανάλωση O 2 > ζήτηση O 2. Η υπέρβαση της κατανάλωσης O 2 μετά την άσκηση (Excess post-exercise oxygen consumption EPOC) αναπληρώνει τα αποθέματα ATP / PCr, μετατρέπει το γαλακτικό σε γλυκογόνο, αναπληρώνει την αιμο / μυοσφαιρίνη, καθαρίζει το CΟ 2 από την κυκλοφορία

58

59 Σας ευχαριστώ