Name: diffusion tensor magnetic resonance imaging in the analysis of neurodegenerative diseases
Uploaded: 2013-07-28T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in the Analysis of Neurodegenerative Diseases at JoVE.com

Dele af dette arbejde, dvs undersøgelse om QC og korrektion for beskadigede gradient retninger i ansøgning til data fra patienter med hyperkinetisk forstyrrelser, blev støttet af det europæiske HD-netværket (EHDN projekt 070). De MR-scanninger i denne bestemte undersøgelse er erhvervet som en del af Londons hjemmeside TRACK-HD kohorten.

Analyse Metoder: Pre-og efterbehandling Opgaven for følgende protokol er at analysere diffusionsegenskaber voxelwise inden hvide substans skrifter, som kunne være - på grund af voxelwise afsløring - enten isotrope eller anisotropisk, hvilket resulterer i prolate eller fladtrykt diffusion tensor for de respektive voxels. Den parametrering af voxel tensorer kan bruges enten til beregning af FA-kort eller identifikation af fibertracts (figur 1). F...

Interpersonelle gennemsnit af DTI data kan opnås med hensyn til diffusion amplitude (ved anvendelse af FA information) og diffusion retning (baseret på FT), hhv. Midling af FA maps giver mulighed for statistisk sammenligning af emnegrupper ved WBSS og TFAS. Denne metodologiske ramme giver en introduktion til DTI teknikker med inter-emne midling og gruppearbejde sammenligning. Stereotaktisk normalisering og sammenligning af FA maps på koncernniveau giver mulighed for flere muligheder for at kvantificere forskelle mell...

Diffusion tensor imaging i den menneskelige hjerne Den hvide substans (WM) skrifter i centralnervesystemet består af tætpakkede axoner i tillæg til forskellige typer af neuroglia og andre små populationer af celler. Den aksonal membran samt godt afstemt proteinfibre inden en Axon begrænser diffusionen vinkelret på fiberen orientering, hvilket fører til anisotrope vanddiffusion i hjernen WM 1. Myelinskeder omkring axoner kan også bidrage til anisotropi både intra-og ekstracellulære vand 2. Den kvantitative beskrivelse af denne anisotropi kunne påvises ved diffusion tensor imaging (DTI). DTI producerer billeder af væv vægtet med de lokale mikrostruktur karakteristika vand diffusion. De image-intensiteter ved hver position er svækket, afhængigt af styrken og retningen af ​​den såkaldte magnetiske diffusion gradient (repræsenteret ib-værdi), samt på den lokale mikrostruktur, hvor vandmolekylerne diffundere 3, diffusionskoefficient D, en skalar værdi: <img alt="Ligning 1" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq1.jpg" /> Men i nærværelse af anisotropi i WM, kan diffusion ikke længere være kendetegnet ved en enkelt skalar koefficient, men kræver en tensor <img alt="Ligning 3" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3.jpg" /> hvilket i første tilnærmelse beskriver molekylær mobilitet langs hver retning og sammenhæng mellem disse retninger 4.. Diffusion anisotropi er primært forårsaget af orienteringen af ​​fiber skrifter i WM og er påvirket af sine mikro-og makrostrukturelle funktioner. Af de mikrostrukturelle træk, synes intraaxonal organisation at være af størst indflydelse på diffusion anisotropi, foruden densiteten af ​​fiberen ennd celle pakning, graden af ​​myelination, og individuel fiber diameter. På en makroskopisk skala, påvirker variation i orienteringen af alle WM skrifter i en billeddannelse voxel dens grad af anisotropi 5.. I typiske DTI målinger, er de voxel dimensioner i størrelsesordenen millimeter. Således en voxel indeholder altid midlede oplysninger af vandmolekyler inde i detekteret volumen, der normalt omfatter flere axoner samt de omgivende vandmolekyler. Trods denne multiorienteret miljø, er DTI følsom til orienteringen af den største hovedakse som bringer den fremherskende aksonal retning, dvs axonal bidrag dominerer det målte signal 2. DTI giver to typer oplysninger om ejendommen vand diffusion: først orienteringen-uafhængig omfang diffusion anisotropi 5 og det andet den fremherskende retning vand diffusion i image voxels, dvs diffusion orientering 6.. De nuværende protokoller er meningen at skabe en ramme for DTI analyseteknikker til kvantitativ sammenligning af emnegrupper på koncernniveau, som skitseret i det følgende. Kvantificering af diffusionsegenskaber - analyseparametre Elementerne i den symmetriske tensor kan måles ved diffusion gradienter langs mindst seks ikke-kolineære og ikke-koplanare retninger, således at b (ligning 1) er blevet en tensor, hvilket resulterer i signaldæmpning <img alt="Ligning 2" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq2.jpg" /> Denne ligning kræver tegner sig for mulige interaktioner mellem billedbehandling og diffusion gradienter, der anvendes i retvinklede retninger (cross vilkår), og selv mellem billeddiagnostiske gradienter, som anvendesi vinkelrette retninger 4. Den underordnede diffusion tensor <img alt="Ligning 3" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3.jpg" /> kan altid diagonalized efterlader kun tre ikke-nul elementer langs hoveddiagonalen af tensor, dvs egenværdierne ( <img alt="Ligning 4" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq4.jpg" /> ). Egenværdierne afspejler form eller konfiguration af ellipsoiden. Det matematiske forhold mellem den primære koordinater ellipsoiden og laboratoriet rammen er beskrevet af egenvektorerne <img alt="Ligning 5" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq5.jpg" /> Da der er flere udfordringer i at vise tensor data, er begrebet diffusion ellipsoider blevet foreslået 3.. De Eigendiffusivities af disse ellipsoids repræsenterer endimensional diffusionskoefficienter i hovedretning diffusivities af mediet, dvs hovedakse ellipsoiden repræsenterer den vigtigste diffusion retning i voxel som falder sammen med retningen af fibrene, mens excentricitet ellipsoiden giver oplysninger om grad af anisotropi og dens symmetri. Derfor kunne diffusion anisotropi parametre såsom fraktioneret anisotropi (FA) defineres 7.. <img alt="Ligning 6" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq6.jpg" /> <img alt="Ligning 7" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq7.jpg" /> er det aritmetiske gennemsnit af alle Egenværdier. En yderligere metode er at bruge den primære retning af diffusion tensor at behandle WM konnektivitet af hjernen, svarende til traktografi Approalm som har til hensigt at undersøge hvilke dele af hjernen er forbundet med hinanden. Antages det, at orienteringen af ​​den vigtigste del af diffusion tensor repræsenterer orienteringen af ​​de dominerende axonal skrifter, er en 3-D vektor felt billede, hvor hver vektor repræsenterer fiberens orientering. I øjeblikket er der flere forskellige tilgange til at rekonstruere WM skrifter, som kan opdeles i to typer: den første kategori er baseret på line formering algoritmer ved hjælp af lokale tensor information for hvert trin i fiber-tarmkanalen formering 2,8,9. Den anden kategori er baseret på global energi minimering at finde den energisk gunstigste sti mellem to WM regioner, hvilket resulterer i tilgangen i tarmkanalen-baserede rumlige statistik (TBSS) 10, som har været anvendt i andre algoritmer, som tractwise brøkdele anisotropi statistik (TFAS - se protokol tekst, afsnit 2.4).. Omdannelse til stereotaktisk stativard plads Ligesom i andre avancerede MRI metoder, DTI-og FT-baserede undersøgelser i et klinisk sammenhæng forfølge det ultimative mål at kategorisere enkelte patients hjerne morfologi for at lette den diagnostiske proces baseret på nogle diskrimination metrisk 11. Studier på koncernniveau er mest relevant, hvis det fælles kliniske fænotype formodes at være på grund af skader til et eller flere specifikke områder i hjernen eller et særligt neuroanatomiske netværk. Her gennemsnit af resultaterne for forskellige fag er nyttig for at vurdere fælles mønstre af mikrostrukturelle ændringer. Hver enkelt hjerne har til at blive overført til stereotaktisk plads, så, i et andet trin, det aritmetiske gennemsnit af resultaterne på et voxel-by-voxel niveau er mulig. Rumlig normalisering tilladt for aritmetiske gennemsnit af de opnåede resultater fra forskellige emner for at forbedre signal-til-støj-forhold (SNR), og at udføre en sammenligning af prøver fra patienter og controls for at analysere den beregningsmæssige pathoanatomy af en specifik lidelse, fx en neurodegenerativ sygdom, der er forbundet med påvirkning af en specifik hjerne-system. Den tidlige tilgang normalisering til en standardiseret stereotaxic plads med 12 foreslog en transformation algoritme til en standard atlas omfatter identificering af forskellige hjerne vartegn og stykkevis skalering af hjernens kvadranter. I dag er de fleste af de avancerede MRI dataanalyse pakker bruger normalisering til Montreal Neurological Institute (MNI) stereotaktisk plads 13.. Til denne transformation blev halvautomatiske og automatiseret hjerne registrering algoritmer ved hjælp af studie specifikke skabeloner udviklet 14,15. I DTI har særlig opmærksomhed henledes på at bevare den retningsbestemte oplysninger under normaliseringsproces 16,17. Anvendelsen af ​​rumlige transformationer til DT-MR-billeder, der er nødvendige for fysisk normaliseringaf samlinger af datasæt er, i modsætning til vridning skalar billeder, kompliceres af, at DTS indeholder orienteringsmæssige oplysninger, som igen er påvirket af transformation. Denne effekt skal der redegøres for, for at sikre den anatomiske korrekthed ændrede billede. Her er teknikker til at anvende affine transformationer til DTI datasæt præsenteres. Anvendelse af DTI til hjernesygdomme Sammenligningen af ​​den langsgående DTI oplysninger kræves en tilpasning / registrering af en fagets data mellem hinanden. I denne sammenhæng er bevarelse af den retningsbestemte nødvendige oplysninger (dvs. rotation af diffusion tensor under affine transformationer). Mulige ansøgninger til neurodegenerative sygdomme er blevet rapporteret tidligere (fx 18,19). DTI er blevet etableret som en robust non-invasiv teknisk redskab til at undersøge in vivo Neuropatholnologi for WM neuronale skrifter (f.eks 11,20,21,22). DTI-baserede kvantitative målinger af diffusionsprocessen, f.eks FA, har allerede vist sig at være følsomme markører for at studere en bred vifte af WM patologier, såsom slagtilfælde 20, multipel sclerose 23, amyotrofisk lateral sklerose 24, 25, Alzheimers sygdom 26 , og flere andre WM lidelser 27,28. Derudover kan DTI med FT anvendes til at identificere WM skrifter 23.. Denne teknik, mens der stadig ikke er i rutinemæssig klinisk brug, nye er som et kraftfuldt instrument til vurdering af sti-specifikke abnormiteter i neurologisk sygdom. Inden for de identificerede skrifter, afledt forskellige kvantitative MRI indeks fra DTI og yderligere opkøb (f.eks T2-vægtede billeder og / eller magnetisering overførsel (MT) billeddannelse), som er anatomisk coregistered til DTI data kan måles. Herved kan hvert indeks være calculated som en funktion af stilling i tarmkanalen, med henvisning til plots skildrer deres rumlige variation tarmkanalen profiler. I det følgende, menneskelige DTI scanninger, der blev udført på 1,5 Tesla MR-scannere (Siemens Medical, Erlangen, Tyskland) blev anvendt til at undersøge potentialet af forskellige analyseteknikker til påvisning af hvide substans abnormiteter i patientgrupper samt i individer. Efter en automatiseret kvalitetskontrol for afskaffelse af motion-korrupte mængder og volumener med andre former for artefakter, forberede standardiserede efterbehandling procedurer DTI data for fortløbende analyse. Forskellige analyser tilgange vil blive illustreret i det følgende, dvs først, hele hjernen baseret rumlig statistik (WBSS), andet, FT, og tredje, Tractwise fraktioneret anisotropi statistik (TFAS). WBSS er en metode, der kører i analogi med voxel-baseret morfometri (VBM), som er normalt kendt som voxel-baserede morfometri / statistikker om DTI data (VBM / DTI) <em&gt;. VBM er en metode, der oprindeligt kører på kontrastrige billeder hvor kontraster i separate scanninger skal løses mens WBSS er en metode, der bruger den voxelwise sammenligning af en fysisk parameter. Så selv algoritmisk ens, vil en terminologi, som differentierende WBSS og VBM blive anvendt i det følgende.

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>MR scanner</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Siemens 1.5 T Magnetom Symphony</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>analysis software </td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>TIFT - Tensor Imaging and Fiber Tracking</td>
 </tr>
 </tbody>
 </table>

diffusion tensor magnetic resonance imaging in the analysis of neurodegenerative diseases

Diffusion tensor imaging (DTI) teknikker giver oplysninger om de mikrostrukturelle processer i cerebral hvide substans (WM) in vivo. De nuværende programmer er designet til at undersøge forskelle i WM involvering mønstre i forskellige hjernesygdomme, især neurodegenerative lidelser, ved brug af forskellige DTI analyserne i sammenligning med matchede kontroller. DTI dataanalyse er udført i et variate mode, dvs voxelwise sammenligning af regionale diffusion retning-baserede parametre såsom fraktioneret anisotropi (FA) sammen med fiber sporing (FT) ledsaget af tractwise brøkdele anisotropi statistik (TFAS) på koncernniveau i orden at identificere forskelle i FA langs WM strukturer, der sigter på definitionen af ​​regionale mønstre WM ændringer på koncernniveau. Forvandling til en stereotaktisk standard rum er en forudsætning for gruppens undersøgelser og kræver grundige databehandling for at bevare directional indbyrdes afhængigheder. De nuværende programmer viser optimerede tekniske tilgange til dette bevarelsen af ​​kvantitative og retningsbestemt oplysninger under rumlig normalisering dataanalyser på gruppe niveau. På dette grundlag kan FT teknikker anvendes til at gruppere gennemsnit data med henblik på at kvantificere målinger oplysninger som defineret af FT. Derudover anvendelse af DTI metoder, dvs forskelle i FA-maps efter stereotaktisk tilpasningen, en langsgående analyse på et individuelt emne basis afsløre oplysninger om progression af neurologiske lidelser. Yderligere kvalitetsforbedring af DTI-baserede resultater kan opnås i forbehandlingsfasen ved anvendelse af en kontrolleret fjernelse af gradient retninger med høje støjniveauer. Sammenfattende er DTI anvendes til at definere en særskilt WM pathoanatomy forskellige hjernesygdomme ved kombinationen af ​​hele hjerne-baserede og tarmkanalen-baserede DTI analyse.

1.. QC og korrektion for beskadigede gradient retninger i ansøgning til data fra patienter med hyperkinetisk lidelser Som et eksempel på effekten af anvendelsen af QC og efterfølgende volumen udstødelse (som en konsekvens af den korrektion for beskadigede GD), viser figur 8 forskelle i hele hjernen baserede rumlig statistik med og uden volumen udelukkelse for gruppe sammenligning af 29 premanifest Huntingtons sygdom fag vs 30 alder og køn matchede kontroller. Den scanning ...

Watch this Scientific Journal Video about Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in the Analysis of Neurodegenerative Diseases at JoVE.com

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in the Analysis of Neurodegenerative Diseases

Diffusion tensor imaging (DTI) dybest set fungerer som en MRI-baseret værktøj til at identificere<em&gt; In vivo</em&gt; Mikrostrukturen af ​​hjernen og patologiske processer som følge af neurologiske lidelser i den cerebrale hvide substans. DTI-baserede analyser giver mulighed for ansøgning til hjernesygdomme både på koncern-niveau og i enkeltfag data.

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging i Analyse af neurodegenerative sygdomme

Diffusion tensor imaging (DTI) techniques provide information on the microstructural processes of the cerebral white matter (WM) in vivo. The present ...

Research

JoVE Journal

Medicine

Magnetic Resonance Derived Myocardial Strain Assessment Using Feature Tracking

Purpose: An accurate and practical method to measure parameters like strain in myocardial tissue is of great clinical value, since it has been shown, that ...

Probing the Brain in Autism Using fMRI and Diffusion Tensor Imaging

Newly emerging theories suggest that the brain does not function as a cohesive unit in autism, and this discordance is reflected in the behavioral ...

High Content Screening in Neurodegenerative Diseases

Højt indhold Screening i neurodegenerative sygdomme

The functional annotation of genomes, construction of molecular networks and novel drug target identification, are important challenges that need to be ...

The Use of Primary Human Fibroblasts for Monitoring Mitochondrial Phenotypes in the Field of Parkinson's Disease

Anvendelsen af ​​primære humane fibroblaster til overvågning Mitochondriale fænotyper i Field af Parkinsons sygdom

Parkinson's disease (PD) is the second most  common movement disorder and affects 1% of people over the age of 60 1. Because ageing is  the most important ...

Tracking the Mammary Architectural Features and Detecting Breast Cancer with Magnetic Resonance Diffusion Tensor Imaging

Sporing mælke- arkitektoniske træk og Afsløring brystkræft med magnetisk resonans Diffusion Tensor Imaging

Breast cancer is the most common cause of cancer among women worldwide. Early detection of breast cancer has a critical role in improving the quality of ...

Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease

Kvantitativ Magnetic Resonance Imaging af Skeletal Muscle Disease

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of ...

Simultaneous PET/MRI Imaging During Mouse Cerebral Hypoxia-ischemia

Samtidig PET / MR Imaging Under Mouse Cerebral iskæmi Hypoxi-

Dynamic changes in tissue water diffusion and glucose metabolism occur during and after hypoxia in cerebral hypoxia-ischemia reflecting a bioenergetics ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging at 7 Tesla

Hjerte Magnetic Resonance Imaging på 7 Tesla

CMR at an ultra-high field (magnetic field strength B0&#160;&#8805; 7 Tesla) benefits from the signal-to-noise ratio (SNR) advantage inherent at higher ...

Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging in the Rat Common Carotid Artery

Fase kontrast magnetisk resonans i rotte fælles halspulsåren

Phase contrast magnetic resonance imaging (PC-MRI) is a noninvasive approach that can quantify flow-related parameters such as blood flow. Previous ...

Cardiac Magnetic Resonance for the Evaluation of Suspected Cardiac Thrombus: Conventional and Emerging Techniques

Hjerte magnetisk resonans til vurdering af mistanke om kardiel Trombus: konventionelle og nye teknikker

We present the conventional cardiac magnetic resonance (CMR) protocol for evaluating a suspected thrombus and highlight emerging techniques.&#160;The ...