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

Partes deste trabalho, ou seja, o estudo sobre QC e correção para direções gradiente corrompidos na aplicação de dados de pacientes com desordens hipercinéticas, foram apoiados pela rede HD Europeia (EHDN projeto 070). Os exames de ressonância magnética nesta determinado estudo foram adquiridos como parte do site coorte TRACK-HD Londres.

Métodos de Análise: pré e pós-processamento A tarefa do seguinte protocolo é analisar propriedades de difusão voxelwise dentro tratos de substância branca que poderia ser - devido à detecção voxelwise - ou isotrópicos ou anisotrópicos, resultando em tensores de difusão prolate ou oblato para os respectivos voxels. A parametrização dos tensores voxel é usado tanto para o cálculo da FA-mapas ou a identificação de fibertracts (Figura 1). <p class="jove_cont...

Média inter-sujeito dos dados DTI podem ser alcançados com respeito à amplitude de difusão (por utilização de informação FA) ea direcção da difusão (com base em FT), respectivamente. Média de FA mapas permite a comparação estatística dos grupos de sujeitos por WBSs e AGT. Este quadro metodológico dá uma introdução às técnicas DTI com média inter-sujeitos e comparação grupo. Normalização estereotáxica e comparação de mapas de FA no nível do grupo permite várias possibilidades de quantificar...

Imagem tensor de difusão no cérebro humano A matéria (WM) tratos branca no sistema nervoso central consistem de axónios densamente empacotados em adição a vários tipos de neuroglia e outras pequenas populações de células. A membrana axonal, bem como as fibras de proteína bem alinhadas dentro de um axónio limita a difusão de água perpendicular à orientação das fibras, provocando a difusão de água no cérebro anisotrópica WM 1. Bainhas de mielina em torno dos axônios também podem contribuir para a anisotropia tanto intra e extracelular de água 2. A descrição quantitativa deste anisotropia pode ser detectado pelo tensor de difusão (DTI). DTI produz imagens de tecidos ponderados com as características microestruturais locais de difusão de água. As intensidades de imagem-em cada posição são atenuados, dependendo da intensidade e direcção do chamado gradiente de difusão magnética (representado emo valor-b), bem como sobre a microestrutura local no qual as moléculas de água difundir 3, o coeficiente de difusão D, a um valor escalar: <img alt="Equação 1" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq1.jpg" /> No entanto, na presença de anisotropia em WM, difusão já não pode ser caracterizado por um único coeficiente de escalar, mas requer um tensor <img alt="Equação 3" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3.jpg" /> que, em primeira aproximação descreve mobilidade molecular ao longo de cada direção e correlação entre esses quatro direções. Anisotropia de difusão é causada principalmente pela orientação de feixes de fibras em WM e é influenciado por suas micro e macroestrutural recursos. Dos aspectos microestruturais, organização intraaxonal parece ser de grande influência sobre a anisotropia de difusão, além da densidade de uma fibraembalagem célula nd, o grau de mielinização e diâmetro das fibras individuais. Em uma escala macroscópica, a variabilidade na orientação de todas as extensões de WM em um voxel imagiologia influencia o seu grau de anisotropia 5. Em medições típicas de DTI, são as dimensões do voxel na ordem de milímetros. Assim, um voxel sempre contém a informação médio das moléculas de água no interior do volume de detecção que normalmente cobre várias axónios, bem como as moléculas de água circundantes. Apesar deste enquadramento multidirecional, DTI é sensível à orientação do maior eixo principal que se alinha com a direcção predominante axonal, ou seja, a contribuição axonal domina o sinal medido duas. DTI fornece dois tipos de informações sobre a propriedade de difusão de água: em primeiro lugar, a extensão orientação independente de difusão anisotropia 5 e, segundo, a direção predominante de difusão de água em imagvoxels electrónicos, isto é, a orientação de difusão 6. Os protocolos atuais são supostamente para fornecer um quadro de técnicas de análise de DTI para a comparação quantitativa dos grupos de sujeitos no nível do grupo, conforme descrito a seguir. Quantificação de propriedades de difusão - parâmetros de análise Os elementos do tensor simétrico pode ser medido por gradientes de difusão ao longo de, pelo menos, seis não colineares e não coplanares instruções de modo a que b (Equação 1) tornou-se um tensor, o que resulta na atenuação do sinal <img alt="Equação 2" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq2.jpg" /> Esta equação requer respondendo por possíveis interações entre imagem e gradientes de difusão que são aplicadas em direções ortogonais (termos cruzados) e até mesmo entre os gradientes de imagem que são aplicadasem quatro direcções ortogonais. O tensor de difusão de segunda ordem <img alt="Equação 3" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq3.jpg" /> sempre pode ser diagonalizada deixando apenas três elementos diferentes de zero ao longo da diagonal principal do tensor, ou seja, os valores próprios ( <img alt="Equação 4" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq4.jpg" /> ). Os Eigenvalues ​​reflectir a forma ou configuração do elipsóide. A relação matemática entre o principal coordenadas da elipsóide e do quadro de laboratório é descrita por os autovectores <img alt="Equação 5" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq5.jpg" /> Uma vez que existem vários desafios na exibição de dados tensor, o conceito de elipsóides de difusão foi proposto 3. Os Eigendiffusivities destes ellipsoids representam unidimensionais os coeficientes de difusão na direcção principal de difusividades do meio, isto é, o eixo principal do elipsóide representa a direcção de difusão principal no voxel, que coincide com a direcção das fibras, enquanto que a excentricidade do elipsóide fornece informações sobre o grau de anisotropia e a sua simetria. Portanto, as métricas de anisotropia de difusão, tais como a anisotropia fracionada (FA) pode ser definida 7. <img alt="Equação 6" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq6.jpg" /> <img alt="Equação 7" fo:src="/files/ftp_upload/50427/50427eq7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50427/50427eq7.jpg" /> é a média aritmética de todas as Eigenvalues. Uma abordagem adicional consiste em utilizar a direcção principal do tensor de difusão para abordar a conectividade WM do cérebro, o que corresponde ao tractografia approach que tem a intenção de investigar quais as partes do cérebro estão ligados uns aos outros. Assumindo-se que a orientação do componente principal do tensor de difusão representa a orientação dos folhetos axonais dominantes, num campo de vectores em 3-D é proporcionado, em que cada vetor representa a orientação das fibras. Actualmente, existem diversas abordagens para reconstruir WM extensões que podem ser divididas em dois tipos: a primeira categoria é baseado em algoritmos de propagação de linha usando a informação tensor local para cada passo de propagação do tracto fibra 2,8,9. A segunda categoria é baseada na minimização de energia global para encontrar o caminho energeticamente mais favorável entre duas regiões WM, resultando na abordagem estatística espacial baseados trato (TBSS) 10, o qual tem sido usado em outros algoritmos, tais como as estatísticas da anisotropia fracionada tractwise (AGT - ver texto do protocolo, a seção 2.4).. Transformação em estande estereotáxicaard espaço Tal como em outros métodos de ressonância magnética avançada, DTI-e estudos baseados em FT num contexto clínico prosseguir a meta final para categorizar morfologia do cérebro do paciente individual, a fim de facilitar o processo de diagnóstico com base em alguma discriminação métrico 11. Estudos ao nível do grupo são mais relevantes se o fenótipo clínico comum é suposto ser devido a danos a uma ou mais áreas específicas do cérebro ou uma rede neuroanatomical específico. Aqui, com uma média de resultados para indivíduos diferentes é útil para avaliar padrões comuns de alterações microestruturais. Cada cérebro individual tem que ser transferido para o espaço estereotáxico de modo que, num segundo passo, a média aritmética dos resultados ao nível do voxel-a-voxel é possível. Normalização espacial permitido para cálculo da média aritmética dos resultados obtidos a partir de diferentes indivíduos, a fim de melhorar a relação sinal-ruído (SNR), e para realizar uma comparação de amostras de pacientes e controls, a fim de analisar o pathoanatomy computacional de uma doença específica, por exemplo, uma doença neurodegenerativa, o qual está associado com a afectação de um sistema cerebral específico. A abordagem inicial de normalização para um espaço estereotáxico padronizado em 12 sugeriram um algoritmo de transformação de um atlas padrão envolvendo a identificação de vários marcos cerebrais e fragmentada escala de quadrantes do cérebro. Hoje em dia, a maioria dos pacotes de análise de dados de ressonância magnética avançados usam normalização do Instituto Neurológico de Montreal (MNI) estereotáxica espaço 13. Para esta transformação, algoritmos de registro cérebro semi-automáticos e automatizados usando o estudo de modelos específicos foram desenvolvidos 14,15. Em DTI, atenção especial deve ser desenhado para preservar a informação direcional durante o processo de normalização 16,17. A aplicação de transformações espaciais em imagens DT-MR, que são necessários para a normalização espacialde conjuntos de conjuntos de dados é, em contraste com as imagens escalares entortamento, complicado pelo facto de conter informações DTs orientacional que é novamente afectadas pela transformação. Este efeito deve ser contabilizada, a fim de garantir a correção anatômica da imagem transformada. Aqui, são apresentadas técnicas de aplicação transformações afins de conjuntos de dados de DTI. Aplicação de DTI para doenças cerebrais A comparação dos dados longitudinal DTI requer um alinhamento / registo de dados de um objecto entre si. Neste contexto, a preservação da informação direccional é necessário (isto é, a rotação do tensor de difusão durante transformações afins). As possíveis aplicações para doenças neurodegenerativas foram relatadas anteriormente (por exemplo, 18,19). DTI foi estabelecida como uma ferramenta técnica não-invasiva robusto para investigar in vivo Neuropatholgia de WM extensões neuronais (por exemplo, 11,20,21,22). Métricas quantitativas baseadas DTI do processo de difusão, por exemplo, o FA, já demonstraram ser marcadores sensíveis para o estudo de uma ampla gama de WM patologias, tais como acidente vascular cerebral 20, esclerose múltipla 23, a esclerose amiotrófica lateral, 24, 25, a doença de Alzheimer 26 e vários outros distúrbios WM 27,28. Além disso, o DTI com FT podem ser usadas para identificar extensões WM 23. Esta técnica, embora ainda não em uso clínico de rotina, está emergindo como um poderoso instrumento para a avaliação de anormalidades específicas da via na doença neurológica. Dentro dos intervalos identificados vários índices quantitativos MRI derivado de DTI e aquisições adicionais (por exemplo, T2 e / ou transferência de magnetização (MT) de imagem) que são anatomicamente georeferenciados aos dados DTI podem ser medidos. Por este meio, cada índice poderia ser calculated como uma função da posição no interior do tracto, referindo-se aos lotes que descrevem a variação espacial como perfis trato. Nos seguintes, digitaliza DTI humanos, que foram realizadas em 1,5 Tesla MRI scanners (Siemens Medical, Erlangen, Alemanha) foram utilizadas para investigar o potencial de várias técnicas de análise para a detecção de alterações na substância branca em grupos de pacientes, assim como em indivíduos. Depois de um controlo automático de qualidade para a eliminação de volumes movimento corrompidos e volumes com outros tipos de artefatos, procedimentos pós-processamento padronizados preparar os dados do DTI para a análise consecutiva. Diferentes abordagens de análise será ilustrada no seguinte, ou seja, em primeiro lugar, o cérebro todo com base estatística espacial (WBSs), em segundo lugar, a FT, e, Tractwise estatísticas da anisotropia fracionada terceiros (AGT). WBSs é um método que funciona em analogia com morfometria baseada em voxel (VBM), que é geralmente conhecida como morfometria / estatística baseada em voxel em dados DTI (VBM / DTI) <em&gt;. VBM é um método que é executado inicialmente em imagens de contraste em que as diferenças de contraste nas varreduras separados têm de ser resolvidas quando WBSs é um método que utiliza a comparação voxelwise de um parâmetro físico. Portanto, embora algoritmicamente semelhante, uma terminologia que se diferenciar WBSs e VBM serão usados ​​a seguir.

<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

Técnicas de imagem tensor de difusão (DTI) fornecer informações sobre os processos microestruturais da substância branca cerebral (WM) in vivo. Os atuais aplicativos são projetados para investigar as diferenças de padrões de envolvimento WM em diferentes doenças cerebrais, doenças neurodegenerativas, especialmente pelo uso de diferentes análises DTI em comparação com os controles. Análise de dados DTI é realizada de uma forma variada, ou seja, comparação voxelwise de difusão métricas regionais baseadas em direção como anisotropia fracionada (FA), juntamente com acompanhamento de fibra (FT), acompanhado de estatísticas da anisotropia fracionada tractwise (AGT) no nível do grupo, a fim para identificar diferenças na FA ao longo estruturas WM, visando a definição de padrões regionais de WM alterações no nível do grupo. Transformação em um espaço padrão estereotáxica é um pré-requisito para estudos em grupo e exige que os dados completos de processamento para preservar directional inter-dependências. As aplicações atuais mostram abordagens técnicas otimizadas para esta preservação de informações quantitativas e direcional durante a normalização espacial em análises de dados em nível de grupo. Nesta base, as técnicas de FT pode ser aplicado para o grupo de dados em média, a fim de quantificar a informação métricas definidas pela FT. Além disso, a aplicação de métodos de DTI, isto é, diferenças de FA-mapas após alinhamento estereotáxico, numa análise longitudinal a um sujeito individual com base revelar informações sobre a progressão de desordens neurológicas. Melhora ainda mais a qualidade dos resultados baseados DTI podem ser obtidos durante o pré-processamento através da aplicação de uma eliminação controlada de instruções de gradiente com elevados níveis de ruído. Em resumo, o DTI é utilizado para definir um WM pathoanatomy distinta de diversas doenças cerebrais, a combinação do conjunto de análise DTI cérebro baseado e baseado trato.

1. QC e correção para direções gradiente corrompidos na aplicação de dados de pacientes com desordens hipercinéticas Como um exemplo, para o efeito da aplicação de QC, e de exclusão de volume subsequente (como uma consequência da correcção para GD corrompidos), a Figura 8 mostra as diferenças de cérebro inteiro de estatísticas espaciais base com ou sem exclusão de volume para a comparação de grupos de 29, a doença de premanifest Huntington assuntos vs 30 ano...

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Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in the Analysis of Neurodegenerative Diseases

Tensor de difusão (DTI), basicamente, serve como uma ferramenta baseada em ressonância magnética para identificar<em&gt; In vivo</em&gt; A microestrutura do cérebro e processos patológicos devido a desordens neurológicas dentro da matéria branca cerebral. Análises baseadas DTI permite a aplicação de doenças cerebrais, tanto ao nível do grupo e em Dados sujeitos individuais.

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