Dinâmica Simbólica Aplicada à Análise do Efeito da Apneuse em Imagens de
Ressonância Magnética Funcional Cerebral
C. Elefteriadis, F.C. Jandre e A.F.C. Infantosi
Programa de Engenharia Biomédica/COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil
Abstract— Symbolic dynamics was used to investigate the
effect of breath-holding on brain functional Magnetic Reso-
nance Imaging (fMRI). Data from an open Internet database
were used. Two conditions were compared: breath-holding
(on-off task period of 30 seconds) and resting. A symbolic
dynamics parameter P(n), equal to the proportion of brain
voxels with positive derivatives at each scan in a run, was
calculated from the blood oxygenation level dependent
(BOLD) signal. The robustness of P(n) was assessed by com-
paring the results of the original data and data split into odd
and even slices. Slice-time correction was also investigated.
The average normalized spectrum of P(n) of all breath-holding
runs had greater power peaks at the breath-holding frequency
(f
bh
=1/30 Hz), contributing with about 35% of the total signal
power, whereas none of the resting runs showed similar behav-
ior. In all cases, P(n) indicated global, periodic effects caused
by the respiratory modulation in all breath-holding runs, as
opposed to the resting runs.
Keywords— fMRI, BOLD signal, breath holding, vasoreac-
tivity, symbolic dynamics.
I. INTRODUÇÃO
A ressonância magnética funcional (RMf) cerebral, téc-
nica que mede indiretamente a atividade neural ao longo do
tempo, utiliza um sinal de radiofreqüência (T
2
*
) semelhante
ao sinal utilizado na ressonância magnética estrutural. O
sinal de RMf, também denominado BOLD (blood-oxygena-
tion level dependent), varia com a proporção local entre oxi-
e desoxi-hemoglobina nos vasos encefálicos, a qual se rela-
ciona com a atividade celular através das variações perfusi-
onais em resposta à demanda metabólica[1].
Desde a descoberta da relação do sinal de RMf com a va-
sorreatividade, sabe-se que o movimento respiratório afeta
este sinal. Além de artefatos de movimento, os principais
fatores a influenciar este sinal são (i) a mudança no campo
magnético principal devido às variações de suscetibilidade
magnética da caixa torácica [2] e (ii) as variações hemodi-
nâmicas no cérebro durante o período respiratório, que
influenciam diretamente na intensidade do sinal de RMf [3].
A respiração afeta o controle deste sistema hemodinâmi-
co na medida em que interfere na pressão de CO
2
(pCO
2
),
no fluxo sangüíneo do cérebro (CBF) e na taxa de metabo-
lismo cerebral de O
2
(CMRO
2
) [4].
Windischberger et al. [5] mediram o sinal BOLD durante
respiração educada, observando as variações do sinal em
função da freqüência respiratória e do volume corrente.
Estes autores adquiriram, a uma taxa de 5 Hz, apenas um
corte por volume, o que lhes permitiu observar componen-
tes de freqüências mais elevadas, inclusive o pico de potên-
cia na freqüência cardíaca.
Outras manobras respiratórias foram testadas em expe-
riências com RMf. Os grupos de Stillman e Kastrup [6-7]
utilizaram a manobra de apneuse, que aumenta a pressão
parcial arterial de CO
2
(P
a
CO
2
), e notaram um aumento do
sinal BOLD no cérebro, especialmente em regiões de massa
cinzenta, onde há maior vascularização Por outro lado, o
grupo de Weckesser [8] utilizou a manobra de hiperven-
tilação, causando diminuição na P
a
CO
2,
obtendo resultado
equivalente a [6-7], mostrando que o sinal BOLD responde
à P
a
CO
2
. Ao interpretar tal achado, estes autores sugeriram
ter havido vasoconstricção (conseqüentemente, diminuição
do fluxo sangüíneo), além da mudança na pressão de CO
2
.
Em comparação com outras manobras, a apneuse apre-
senta várias vantagens: não é invasiva, não requer outros
equipamentos ou mistura de gases e evita movimento do
tórax (e suas conseqüências no campo magnético). A ap-
neuse pode acontecer voluntária ou involuntariamente, e
pode ainda ser síncrona com uma tarefa (e.g., cognitiva) [9].
O estudo da apneuse tem aplicação tanto na clínica quanto
em pesquisa sobre o cérebro [10-11].
O objetivo deste trabalho é analisar o efeito da manobra
de apneuse nas imagens de RMf, usando para tal a dinâmica
simbólica. A dinâmica simbólica permite reconhecer pa-
drões de modo eficiente e econômico [12] ao codificar uma
série numérica por símbolos e com isso reduzir a complexi-
dade da informação.
II. MATERIAIS E MÉTODOS
A. Obtenção das Imagens e Protocolo Experimental
Os dados deste estudo foram obtidos junto ao projeto
First BIRN [13]. As imagens utilizadas foram adquiridas em
um “scanner” de 1,5 Tesla (Siemens) na Universidade da
Califórnia em San Diego. Durante dois dias, cinco voluntá-
rios do sexo masculino (idades de 20 a 29 anos) foram sub-