eng
Выпуск #6/2021
О.П.Познанский
Анализ магнито-резонансных диффузионных тензорных изображений методом оболочек. Часть I
Анализ магнито-резонансных диффузионных тензорных изображений методом оболочек. Часть I
Просмотры: 1438
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.6.328.333
Даже при высокой чувствительности измерений в сильном магнитном поле сложно исследовать мелкомасштабные структуры, например кору головного мозга (КГМ). Недавно была показана возможность получения диффузионных изображений с очень высоким разрешением, что позволяет понять кортикальную зависимость диффузионных свойств всего человеческого мозга in vivo вглубь. Показано, что основная ориентация тензора диффузии перпендикулярна поверхности коры, а основное направление диффузии тангенциально на откосах и радиально на концах границы раздела "белое вещество – серое вещество". Количественные измерения тензора диффузии могут выявить структурную организацию клеток в КГМ человека и потенциально характеризовать кортикальную клеточную архитектуру in vivo для исследования патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в корковом сером веществе.
Даже при высокой чувствительности измерений в сильном магнитном поле сложно исследовать мелкомасштабные структуры, например кору головного мозга (КГМ). Недавно была показана возможность получения диффузионных изображений с очень высоким разрешением, что позволяет понять кортикальную зависимость диффузионных свойств всего человеческого мозга in vivo вглубь. Показано, что основная ориентация тензора диффузии перпендикулярна поверхности коры, а основное направление диффузии тангенциально на откосах и радиально на концах границы раздела "белое вещество – серое вещество". Количественные измерения тензора диффузии могут выявить структурную организацию клеток в КГМ человека и потенциально характеризовать кортикальную клеточную архитектуру in vivo для исследования патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в корковом сером веществе.
Теги: cortical cytoarchitecture diffusion tensor grey matter human cerebral cortex magnetic resonance diffusion tensor imaging pathophysiology shell-based analysis кортикальная клеточная архитектура магнито-резонансные диффузионные тензорные изображения метод оболочек патофизиология тензор диффузии
АНАЛИЗ Магнито-РЕЗОНАНСНЫХ
ДИФФУЗИОННЫХ ТЕНЗОРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МЕТОДОМ ОБОЛОЧЕК. ЧАСТЬ I
SHELL-BASED ANALYSIS OF MAGNETIC RESONANCE DIFFUSION TENSOR IMAGING. PART I
О.П.Познанский 1, 2, к.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-3279-0337) / opoznans@gmail.com
O.P. Posnansky 1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics)
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.6.328.333
Получено: 4.10.2021 г.
Даже при значительной чувствительности измерений в сильном магнитном поле все еще сложно исследовать мелкомасштабные структуры, такие как кора головного мозга. Недавние результаты показали, что возможно получение диффузионных изображений с очень высоким разрешением, что позволяет понять кортикальную зависимость диффузионных свойств всего человеческого мозга in vivo вглубь. Обнаружилось, что основная ориентация тензора диффузии перпендикулярна поверхности коры. В то же время основное направление диффузии тангенциальное на откосах и радиальное на концах границы раздела белое вещество – серое вещество. Таким образом, количественные измерения тензора диффузии могут выявить структурную организацию клеток в коре головного мозга человека и потенциально характеризовать кортикальную клеточную архитектуру in vivo для исследования патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в корковом сером веществе.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитно-резонансная диффузионно-тензорная визуализация (DTI) доказала свою эффективность при обнаружении микроскопических волокнистых структур головного мозга человека, таких как белое вещество (WM). Высокое статическое магнитное поле (≥3Тесла) дало возможность получения изображений более высокого пространственного разрешения, предоставив тем самым мощный инструмент для определения границ серого вещества коры (GM) с уменьшенным эффектом частичного объема за приемлемое время сканирования. В представленном исследовании GM используется диффузионно-взвешенная (DW) эхо-планарная визуализация (EPI). Наши результаты показали, что основная ориентация тензора диффузии в коре перпендикулярна ее поверхности. В то же время основное направление диффузии тангенциально на откосах и радиально на вершинах интерфейса WM-GM. Количественные меры тензора диффузии помогут понять структурную организацию клеток в коре головного мозга человека и потенциально характеризовать кортикальную клеточную архитектуру in vivo для исследования патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в кортикальном GM.
Получение данных
Данные МРТ человека in vivo были загружены из открытой базы данных db.humanconnectome.org. Изображения получали на сканере 3T Siemens (Siemens, Эрланген, Германия) с 32-канальной головной катушкой RX. Двенадцать кусков DWI всего мозга были получены для 12 неколлинеарных и некопланарных направлений (b = 1000 с/мм2), которые чередовались тремя nonDWI (b = 0 с/мм2) с использованием однократно перефокусированной Стейскала-Таннера спин-эхо последовательности (FoV = 210 × 180 × 139 мм3, размер вокселя = 1,25 × 1,25 × 1,25 мм3, разрешение в плоскости 168 × 144, GRAPPA2, TE/TR = 89,5/5520 мс, частичный Фурье 6/8, частотное кодирование 1488 Гц/пиксель, 20 слоев (покрывающие 2,5 см)). Для возбуждения трех слоев одновременно был использован многочастотный радиоимпульс (MB-RF). Кроме того, для коррекции геометрических искажений был получен набор изображений с обратным фазовым кодированием градиента для b = 0 с/мм2. Градиент диффузии характеризовался временем диффузии Δ = 22 мс, длительностью градиента диффузии δ = 6 мс. Синхронизация последовательности с сердечными ритмами не использовалась, и общее время сканирования для всех измерений составляло около 55 мин, включая получение анатомических изображений MP-RAGE и 3D-GE. Этот эксперимент повторяли четыре раза, чтобы аксиально смещенными кусками в 2.5 см охватить весь объем мозга.
Обработка изображений
Полная процедура обработки изображений дана на рис.1 [1, 2]. После радиочастотной коррекции неоднородной интенсивности анатомических изображений (MP-RAGE делился на регистрированный 3D-GE) была проведена сегментация мозга на WM, GM и CSF (серебрально-спинальная жидкость) [3]. Чтобы создать композицию полного объема мозга, четыре EPI, охватывающих разные области мозга, были совместно зарегистрированы на изображении MP-RAGE. Серии оболочек (ламелей) между интерфейсами WM-GM и GM-CSF были созданы методом поверхностного расширения (рис.2) [3]. Мы рассчитали нормализованное абсолютное скалярное произведение (AbsScalarProd) главных собственных векторов DTI (e1) и нормальных векторов (n), перпендикулярных ламелям [4]. GM классифицировалось на откосы, извилины и бороздки. Откосы GM были идентифицированы по кривизне поверхности WM-GM в пределах интервала [–0,15, 0,15] 1/мм2, а извилины и бороздки характеризовались значениями кривизны вне этого интервала (рис.3). Кортикальные зависимости диффузионных свойств вдоль глубины GM, включая AbsScalarProd-индекс, изучались методом гистограммного анализа.
Полученные результаты
На рис.4 представлен главный диффузионный собственный вектор (e1) интересуемой области (ROI) в извилинах примарного соматосенсорного (а) и моторного (b) кортекса. Главные вектора на интерфейсе WM-GM на откосах (синяя стрелка 1) в основном параллельны интерфейсу и ортогональны на кончиках извилин (синяя стрелка 2). Главное направление диффузии изменяется на средней ламели, где собственные вектора ортогональны кортексу на откосах (желтая стрелка 1) и извилинах (желтая стрелка 2).
Это наблюдение подтверждено количественно на гистограммах AbsScalarProd векторных полей DTI, вычисленных для GM всего мозга на различной глубине. На WM-GM интерфейсе рис.5а AbsScalarProd демонстрирует пик в 0 (главный вектор перпендикулярен нормали поверхности) для откосов, тогда как AbsScalarProd рис.5b показывает концентрацию возле 1 для извилин и бороздок (главный вектор параллелен нормали поверхности). Гистограммы AbsScalarProd на средней ламели CTX на откосах (рис.5c) и бороздках-извилинах (рис.5d) свидетельствуют о радиальном характере главного собственного вектора в кортикальной глубине мозга.
ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Мы показали, что основные собственные векторы DTI для высоких магнитных полей способны обнаруживать резкий поворот волокна в коре головного мозга человека in vivo [5, 6]. Анализ DTI облегчается использованием параметра AbsScalarProd, который отражает кривизну коры и форму ламелей в глубине коры головного мозга. Таким образом, DTI с изотропным разрешением надежно исследует структурные различия вдоль и в глубине кортекса. Потенциально AbsScalarProd может использоваться в качестве метрики для измерения изгиба волокна в различных частях интерфейса WM-GM и служить индексом для выявления заболеваний и пороков развития мозга.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Posnansky. O., Nanotech (2021).
Truong T., Guidon A., Song A.W., PLOSONE (2014).
Электронный источник: http://freesurfer.net.
Электронный источник: http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl.
Desikan R., et al., NeuroImage (2006).
Tissir F., and Goffinet, AM., Nature Reviews Neuroscience (2003).
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ДИФФУЗИОННЫХ ТЕНЗОРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МЕТОДОМ ОБОЛОЧЕК. ЧАСТЬ I
SHELL-BASED ANALYSIS OF MAGNETIC RESONANCE DIFFUSION TENSOR IMAGING. PART I
О.П.Познанский 1, 2, к.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-3279-0337) / opoznans@gmail.com
O.P. Posnansky 1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics)
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.6.328.333
Получено: 4.10.2021 г.
Даже при значительной чувствительности измерений в сильном магнитном поле все еще сложно исследовать мелкомасштабные структуры, такие как кора головного мозга. Недавние результаты показали, что возможно получение диффузионных изображений с очень высоким разрешением, что позволяет понять кортикальную зависимость диффузионных свойств всего человеческого мозга in vivo вглубь. Обнаружилось, что основная ориентация тензора диффузии перпендикулярна поверхности коры. В то же время основное направление диффузии тангенциальное на откосах и радиальное на концах границы раздела белое вещество – серое вещество. Таким образом, количественные измерения тензора диффузии могут выявить структурную организацию клеток в коре головного мозга человека и потенциально характеризовать кортикальную клеточную архитектуру in vivo для исследования патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в корковом сером веществе.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитно-резонансная диффузионно-тензорная визуализация (DTI) доказала свою эффективность при обнаружении микроскопических волокнистых структур головного мозга человека, таких как белое вещество (WM). Высокое статическое магнитное поле (≥3Тесла) дало возможность получения изображений более высокого пространственного разрешения, предоставив тем самым мощный инструмент для определения границ серого вещества коры (GM) с уменьшенным эффектом частичного объема за приемлемое время сканирования. В представленном исследовании GM используется диффузионно-взвешенная (DW) эхо-планарная визуализация (EPI). Наши результаты показали, что основная ориентация тензора диффузии в коре перпендикулярна ее поверхности. В то же время основное направление диффузии тангенциально на откосах и радиально на вершинах интерфейса WM-GM. Количественные меры тензора диффузии помогут понять структурную организацию клеток в коре головного мозга человека и потенциально характеризовать кортикальную клеточную архитектуру in vivo для исследования патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в кортикальном GM.
Получение данных
Данные МРТ человека in vivo были загружены из открытой базы данных db.humanconnectome.org. Изображения получали на сканере 3T Siemens (Siemens, Эрланген, Германия) с 32-канальной головной катушкой RX. Двенадцать кусков DWI всего мозга были получены для 12 неколлинеарных и некопланарных направлений (b = 1000 с/мм2), которые чередовались тремя nonDWI (b = 0 с/мм2) с использованием однократно перефокусированной Стейскала-Таннера спин-эхо последовательности (FoV = 210 × 180 × 139 мм3, размер вокселя = 1,25 × 1,25 × 1,25 мм3, разрешение в плоскости 168 × 144, GRAPPA2, TE/TR = 89,5/5520 мс, частичный Фурье 6/8, частотное кодирование 1488 Гц/пиксель, 20 слоев (покрывающие 2,5 см)). Для возбуждения трех слоев одновременно был использован многочастотный радиоимпульс (MB-RF). Кроме того, для коррекции геометрических искажений был получен набор изображений с обратным фазовым кодированием градиента для b = 0 с/мм2. Градиент диффузии характеризовался временем диффузии Δ = 22 мс, длительностью градиента диффузии δ = 6 мс. Синхронизация последовательности с сердечными ритмами не использовалась, и общее время сканирования для всех измерений составляло около 55 мин, включая получение анатомических изображений MP-RAGE и 3D-GE. Этот эксперимент повторяли четыре раза, чтобы аксиально смещенными кусками в 2.5 см охватить весь объем мозга.
Обработка изображений
Полная процедура обработки изображений дана на рис.1 [1, 2]. После радиочастотной коррекции неоднородной интенсивности анатомических изображений (MP-RAGE делился на регистрированный 3D-GE) была проведена сегментация мозга на WM, GM и CSF (серебрально-спинальная жидкость) [3]. Чтобы создать композицию полного объема мозга, четыре EPI, охватывающих разные области мозга, были совместно зарегистрированы на изображении MP-RAGE. Серии оболочек (ламелей) между интерфейсами WM-GM и GM-CSF были созданы методом поверхностного расширения (рис.2) [3]. Мы рассчитали нормализованное абсолютное скалярное произведение (AbsScalarProd) главных собственных векторов DTI (e1) и нормальных векторов (n), перпендикулярных ламелям [4]. GM классифицировалось на откосы, извилины и бороздки. Откосы GM были идентифицированы по кривизне поверхности WM-GM в пределах интервала [–0,15, 0,15] 1/мм2, а извилины и бороздки характеризовались значениями кривизны вне этого интервала (рис.3). Кортикальные зависимости диффузионных свойств вдоль глубины GM, включая AbsScalarProd-индекс, изучались методом гистограммного анализа.
Полученные результаты
На рис.4 представлен главный диффузионный собственный вектор (e1) интересуемой области (ROI) в извилинах примарного соматосенсорного (а) и моторного (b) кортекса. Главные вектора на интерфейсе WM-GM на откосах (синяя стрелка 1) в основном параллельны интерфейсу и ортогональны на кончиках извилин (синяя стрелка 2). Главное направление диффузии изменяется на средней ламели, где собственные вектора ортогональны кортексу на откосах (желтая стрелка 1) и извилинах (желтая стрелка 2).
Это наблюдение подтверждено количественно на гистограммах AbsScalarProd векторных полей DTI, вычисленных для GM всего мозга на различной глубине. На WM-GM интерфейсе рис.5а AbsScalarProd демонстрирует пик в 0 (главный вектор перпендикулярен нормали поверхности) для откосов, тогда как AbsScalarProd рис.5b показывает концентрацию возле 1 для извилин и бороздок (главный вектор параллелен нормали поверхности). Гистограммы AbsScalarProd на средней ламели CTX на откосах (рис.5c) и бороздках-извилинах (рис.5d) свидетельствуют о радиальном характере главного собственного вектора в кортикальной глубине мозга.
ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Мы показали, что основные собственные векторы DTI для высоких магнитных полей способны обнаруживать резкий поворот волокна в коре головного мозга человека in vivo [5, 6]. Анализ DTI облегчается использованием параметра AbsScalarProd, который отражает кривизну коры и форму ламелей в глубине коры головного мозга. Таким образом, DTI с изотропным разрешением надежно исследует структурные различия вдоль и в глубине кортекса. Потенциально AbsScalarProd может использоваться в качестве метрики для измерения изгиба волокна в различных частях интерфейса WM-GM и служить индексом для выявления заболеваний и пороков развития мозга.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Posnansky. O., Nanotech (2021).
Truong T., Guidon A., Song A.W., PLOSONE (2014).
Электронный источник: http://freesurfer.net.
Электронный источник: http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl.
Desikan R., et al., NeuroImage (2006).
Tissir F., and Goffinet, AM., Nature Reviews Neuroscience (2003).
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
