Магнитно-резонансная томография с диффузионным тензором (DTI)

       Магнитно-резонансная томография с диффузионным тензором (DTI) - относительно новая технология, используемая для визуализации белого вещества мозга.

        Тензор диффузии первоначально был предложен для использования при магнитно-резонансной томографии (МРТ, MRI) в работах Питера Бассера ( Peter Basser) в 1994 году. До DTI диффузионная МРТ развивалась из исследований в диффузионном ядерном магнитном резонансе. До введения модели тензора диффузии для измерения анизотропной диффузии необходимо было определить ориентацию аксонов в образце ткани, поэтому можно было сканировать только фиксированные образцы. Внедрение модели тензора диффузии впервые позволило получить вращательно-инвариантное описание формы диффузии воды. Инвариантность к вращению имеет здесь решающее значение, поскольку она позволила применить метод DTI к сложной анатомии волоконных путей в мозге человека, однако, тензор диффузии не в состоянии полностью описать пересечение волоконных трактов.

         Популярность DTI была огромной. Эта техника визуализации  была применена к огромному разнообразию нейрофизиологических исследований разных неврологических и психических расстройств, включая шизофрению , травматическое повреждение головного мозга , рассеянный склероз , аутизм , процессы развития мозга и его старения. Были проведены анатомические исследования, касающиеся, например, структуры сети речи, асимметрии белого вещества у близнецов и братьев и сестер, местоположения, асимметрии и изменчивости волоконных трактов. Недавние исследования попытались смоделировать человеческое «соединение», проанализировав структурную и функциональную связь мозга, измеренную DTI и функциональной МРТ. DTI также применяется для планирования нейрохирургических операций и навигации. Добавление предоперационной DTI к нейронавигации было показано в большом  исследовании с целью уточнения границ резекции и выживаемости опухоли и снижения неврологических расстройств. 

           DTI - чувствительный зонд клеточной структуры, который работает путем измерения диффузии молекул воды.   Измеряемая  величина представляет собой коэффициент диффузии или константу пропорциональности, которая связывает диффузионный поток с градиентом концентрации и имеет свои единицы измерения.

    В отличие от диффузии  в стакане чистой воды, которая была бы одинаковой во всех направлениях (изотропная), диффузия, измеренная в ткани, изменяется в зависимости от  направления (анизотропная). Измеренная макроскопическая диффузионная анизотропия обусловлена ​​микроскопической неоднородностью тканей . В белом веществе мозга диффузионная анизотропия обусловлена ​​прежде всего клеточными мембранами с некоторым вкладом от миелинизации и упаковки аксонов. Анизотропная диффузия может указывать на основную ориентацию ткани.

         Тензор диффузии (DT) описывает диффузию молекул воды с использованием гауссовой модели. Технически он пропорционален ковариационной матрице трехмерного гауссова распределения, которая моделирует смещения молекул.  DT представляет собой 3 × 3 симметричную положительно определенную матрицу, и эти свойства матрицы означают, что она имеет 3 ортогональных (взаимно перпендикулярных) собственных вектора и три положительных собственных значения. Основной собственный вектор тензора диффузии указывает на основное направление диффузии (направление самой быстрой диффузии). В анизотропных волокнистых тканях основной собственный вектор также определяет ось волоконного тракта ткани и, следовательно, три ортогональных собственных вектора можно рассматривать как локальную систему координат волокон. Для измерения диффузии с использованием МРТ градиенты магнитного поля используются для создания изображения, которое сенсибилизируется к диффузии в определенном направлении. Повторяя этот процесс диффузионного взвешивания в нескольких направлениях, можно оценить трехмерную диффузионную модель (тензор). В упрощенных выражениях диффузионная визуализация работает путем введения дополнительных градиентных импульсов, эффект которых «отменяет» для стационарных молекул воды и вызывает случайный сдвиг фазы для молекул, которые диффундируют. Из-за их случайной фазы сигнал от рассеивающих молекул теряется. Эта потеря сигнала создает более темные воксели (объемные пиксели). Это означает, что волокна белого вещества, параллельные направлению градиента, будут темными в диффузионно-взвешенном изображении для этого направления.

             DTI обычно отображается путем уплотнения информации, содержащейся в тензоре, на одно число (скаляр) или на 4 числа (чтобы дать цвет R, G, B и значение яркости). Тензор диффузии можно также рассматривать с помощью глифов, представляющих собой небольшие трехмерные представления основного собственного вектора или целого тензора. Наконец, DTI часто просматривается путем оценки хода участков белого вещества через мозг через процесс, называемый трактографией.

             Для трактографии предложено много методов, и результаты будут сильно различаться в зависимости от выбранного метода. Наиболее распространенным подходом является упрощенная трактография,  которая тесно связана с более ранним методом визуализации тензорных полей, известных как гипертонические линии. Этот метод вырабатывается как выходные дискретные кривые или траектории, которые также называются «трактами», «волокнами», «следами». Несколько вычислительных методов могут быть использованы для выполнения базовой рационализации тракта. К ним относятся метод Эйлера (по собственному вектору или касательной для фиксированного размера шага), второй порядок Рунге-Кутта (также известный как метод средней точки, где тангенс соблюдается на полшага, затем вычисляется новая касательная в середине интервал и используемый для выполнения полного шага) и четвертый порядок Рунге-Кутта (где при каждом шаге используется взвешенное среднее из четырех оцененных касательных к кривой) . Обработка данных DTI для отображения интересующего оптического тракта (ов) требует экспертных знаний или автоматического алгоритма. После выполнения упрощенной трактографии представляющие интерес траектории волокна могут быть интерактивно выбраны путем «виртуального рассечения», где области включения / исключения определены и используются для выбора траекторий. Также были разработаны автоматизированные методы сегментации трактата на основе атласа, которые используют предварительные знания для выбора траекторий.

     В дополнение к упрощенной трактографии существует много других методов . Несколько отобранных примеров включают вероятностную трактовку, которая выводит преимущества или вероятности соединения , методы оптимизации, которые используют теорию графов или физические модели, методы развития региона и эволюции волнового фронта , трактографирование с использованием передовых моделей для и методы метаанализа трактографии, которые выполняют кластеризацию или установку более сложных моделей трактов.

       Методы трактографии могут приводить к ложноположительным и ложноотрицательным результатам , однако важно отметить, что клинические валидации рациональной трактографии продемонстрировали точную реконструкцию (истинные положительные результаты). Конечные точки тракта, особенно кортикоспинального или моторного тракта, сравнивались с электрокортикальной стимуляцией в нейрохирургии с хорошим соответствием.

         Измеренные диффузионные эффекты усредняются по вокселю (трехмерный пиксель), что усложняет биофизическую интерпретацию тензора диффузии. Например, в научных исследованиях FA часто интерпретируется как «целостность белого вещества», однако многие факторы (например, гибель клеток, изменение миелинизации, увеличение внеклеточной или внутриклеточной воды и т. д.) могут вызывать изменения в FA. Чтобы дать представление о сложности человеческого мозга и размерах / временных масштабах эксперимента по диффузионной визуализации, перечисляет соответствующие количества, такие как количество нейронов в головном мозге (10 11 ) и расстояние, на котором вода диффундирует во время эксперимента по визуализации (1-15 мкм, расстояние, аналогичное диаметру аксона).

           Значительная часть WM-вокселей в мозге содержит множественные пучки волокон, ориентированные в разных направлениях, где модель тензора диффузии не является надежной.

            Новые диффузионные модели, сканирующие парадигмы и методы анализа постоянно разрабатываются для диффузионной МРТ. Диффузионное изображение с высоким угловым разрешением (HARDI) включает методы, которые получают данные диффузии с использованием более чем 6 направлений диффузии (например, 32 или выше). Эти методы обычно используют более высокое значение b, чем стандартное значение 1000 для DTI и / или несколько значений b (несколько «оболочек» данных). Предлагались модели диффузии, выходящие за пределы DTI, для извлечения важных биомаркеров, таких как компартментализация и диаметром аксона. Предложено расширить модели тензора более высокого ранга, чтобы расширить DTI. Было показано, что использование множественных пар диффузионных градиентов (двойной импульсной полевой диффузионной МРТ) повышает чувствительность к малым масштабам. Диффузионный анализ МРТ был полезен при внедрении новых методов трактографии, созданы многие типы атласов белого вещества, усовершенствованны методы количественной оценки результатов исследований и новые скалярные меры.