Введение

Метод использования воды в магнитно-резонансной томографии Диффузионная взвешенная магнитно-резонансная томография (DWI или DW MRI) - это использование конкретных последовательностей МРТ, а также программного обеспечения, которое генерирует изображения из полученных данных, которые используют диффузию молекул воды для создания контраста в МР-изображениях. Она позволяет составить карту процесса диффузии молекул, в основном воды, в биологических тканях, in vivo и неинвазивно. Молекулярная диффузия в тканях не является случайной, но отражает взаимодействие со многими препятствиями, такими как макромолекулы, волокна и мембраны. Поэтому модели диффузии молекул воды могут раскрывать микроскопические детали об архитектуре тканей, будь то нормальные или в больном состоянии. Специальный вид DWI, диффузионно-тензорная визуализация (DTI), широко используется для картографирования трактографии белого вещества в мозге.

Введение

При диафузной визуализации интенсивность каждого элемента изображения (вокселя) отражает наилучшую оценку скорости диффузии воды в этом месте. Поскольку подвижность воды обусловлена термическим возбуждением и сильно зависит от ее клеточной среды, гипотеза DWI заключается в том, что результаты могут указывать на (ранние) патологические изменения. Например, DWI более чувствителен к ранним изменениям после инсульта, чем более традиционные МРТ-измерения, такие как скорость релаксации T1 или T2. Вариант диффузионно-увязанной визуализации, диффузионная спектрографическая визуализация (DSI), был использован в получении наборов данных Connectome; DSI является вариантом диффузионно-увязанной визуализации, которая чувствительна к внутривоксельным гетерогенностям в направлениях диффузии, вызванных пересечением волоконных тракт, и, таким образом, позволяет более точное отображение траекторий аксона, чем другие методы диффузионной визуализации. Диффузионно-умеренные изображения очень полезны для диагностики сосудистых инсультов в мозге. Он также все чаще используется для определения стадии немелкоклеточного рака легких, где он является серьезным кандидатом на замену позитронно-эмиссионной томографии в качестве "золотого стандарта" для этого типа заболевания. Диффузионно-тензорная визуализация разрабатывается для изучения заболеваний белого вещества мозга, а также для исследований других тканей тела (см. ниже). DWI наиболее применим, когда в изучаемой ткани преобладает изотропное движение воды, например, серое вещество в коре головного мозга и основных ядрах мозга, или в организме, где скорость диффузии, измеренная по любой оси, кажется одинаковой. Однако, DWI также остается чувствительным к T1 и T2 расслаблению. Для того, чтобы связать эффекты диффузии и релаксации на контраст изображения, можно получить количественные изображения коэффициента диффузии, или точнее коэффициента видимой диффузии (ADC). Концепция ADC была введена для учета того факта, что процесс диффузии является сложным в биологических тканях и отражает несколько различных механизмов. Диффузионная тензорная визуализация (DTI) важна, когда ткань, такая как нейронные аксоны белого вещества в мозге или мышечные волокна в сердце, имеет внутреннюю волокнистую структуру, аналогичную анизотропии некоторых кристаллов. Вода будет диффундировать быстрее в направлении, выровненном с внутренней структурой (аксиальная диффузия), и медленнее, поскольку она движется перпендикулярно предпочтительному направлению (радиальная диффузия). Это также означает, что измеренная скорость диффузии будет отличаться в зависимости от направления, с которого смотрит наблюдатель. Диффузионная основно-спектровая визуализация (DBSI) далее разделяет сигналы DTI на дискретные анизотропные диффузионные тензоры и спектр изотропных диффузионных тензоров для лучшего дифференцирования субвоксельных клеточных структур. Например, анизотропные диффузионные тензоры коррелируют с аксональными волокнами, в то время как низкие изотропные диффузионные тензоры коррелируют с клетками, а высокие изотропные диффузионные тензоры коррелируют с более крупными структурами (такими как просвет или желудочки мозга). Было показано, что DBSI дифференцирует некоторые типы опухолей головного мозга и рассеянного склероза с более высокой специфичностью и чувствительностью, чем обычные DTI. DBSI также был полезен в определении микроструктурных свойств мозга. Традиционно при диагностике диффузионной тяжести (DWI) применяются три направления градиента, достаточных для оценки траектории тензора диффузии или "средней диффузивности", предполагаемой меры отека. Клинически, следовые взвешенные изображения оказались очень полезными для диагностики сосудистых инсультов в мозге, путем раннего выявления (в течение нескольких минут) гипоксического отека. Более расширенные сканирования DTI получают информацию о направлении нервного тракта из данных с использованием 3D или многомерных векторных алгоритмов, основанных на шести или более градиентных направлениях, достаточных для вычисления тензора диффузии. Диффузионная тензорная модель - довольно простая модель процесса диффузии, предполагающая однородность и линейность диффузии в каждом вокселе изображения. и генерализованный тензор диффузии.

Механизм

Диффузионная визуализация - это метод МРТ, который производит изображения магнитного резонанса in vivo биологических тканей, сенсибилизированных с местными характеристиками молекулярной диффузии, обычно водой (но другие частицы также могут быть исследованы с использованием спектроскопических подходов МР). МРТ может быть чувствителен к движению молекул. Регулярные МРТ-обретения используют поведение протонов в воде для создания контраста между клинически значимыми особенностями конкретного субъекта. Многогранность МРТ обусловлена возможностью создания контраста, связанного со структурой тканей на микроскопическом уровне. В типичном взвешенном изображении молекулы воды в образце возбуждаются при наложении сильного магнитного поля. Это заставляет многие протоны в молекулах воды прецессировать одновременно, создавая сигналы в МРТ. На взвешенных изображениях контраст производится путем измерения потери когерентности или синхронизации между протонами воды. Когда вода находится в среде, где она может свободно катиться, расслабление, как правило, занимает больше времени. В некоторых клинических ситуациях это может создавать контраст между патологической областью и окружающей здоровой тканью. Для повышения чувствительности изображений МРТ к диффузии, интенсивность магнитного поля (B1) изменяется линейно с помощью градиента импульсного поля. Поскольку прецессия пропорциональна силе магнита, протоны начинают прецессировать с разными скоростями, что приводит к дисперсии фазы и потере сигнала. Другой градиентный импульс применяется в той же величине, но с противоположным направлением для перефокусировки или перефазирования спинов. Перефокусировка не будет идеальной для протонов, которые переместились в течение промежутка времени между импульсами, и сигнал, измеряемый МРТ-аппаратом, уменьшается. Этот метод "полевого градиента импульса" был первоначально разработан для МРТ Штейскалем и Таннером, которые вывели уменьшение сигнала из-за применения градиента импульса, связанного с количеством диффузии, которая происходит через следующее уравнение: где интенсивность сигнала без диффузионного взвешивания, сигнал с градиентом, гиромагнитное отношение, сила градиентного импульса, продолжительность импульса, время между двумя импульсами и, наконец, коэффициент диффузии. Для того, чтобы локализовать это ослабление сигнала, чтобы получить изображения диффузии, необходимо объединить импульсные градиентные импульсы магнитного поля, используемые для МРТ (направленные на локализацию сигнала, но эти градиентные импульсы слишком слабы, чтобы произвести связанное с диффузией ослабление) с дополнительными "поисковыми" градиентными импульсами, согласно методу Штейскаля и Таннера. Эта комбинация не является тривиальной, поскольку перекрестные условия возникают между всеми градиентными импульсами. Уравнение, установленное Штейскалем и Таннером, становится неточным, и ослабление сигнала должно быть рассчитано, либо аналитически, либо численно, интегрируя все градиентные импульсы, присутствующие в последовательности МРТ, и их взаимодействие. Результат быстро становится очень сложным, учитывая многочисленные импульсы, присутствующие в последовательности МРТ, и в качестве упрощения Ле Бихан предложил собрать все градиентные термины в "фактор b" (который зависит только от параметров приобретения), так что ослабление сигнала просто становится: и кумулятивная экспансия (также называемая Куртозис), модель, которая не обязательно требует наличия 2 пулов.

Шерстяные

Стандартная шерстяная шкала изображений DWI представляет собой увеличение ограничения диффузии как более яркое.

Изображение АДК

Карта коэффициента видимой диффузии (ADC) - это изображение МРТ, которое более точно показывает диффузию, чем обычный DWI, путем устранения веса T2, который в противном случае присущ обычному DWI. Образные изображения ADC получают несколько обычных изображений DWI с различным весом DWI, а изменение сигнала пропорционально скорости диффузии. В отличие от изображений DWI, стандартная шерстяная шкала изображений ADC представляет меньшую величину диффузии как более темную. Высокий сигнал инфарктной ткани при обычном ДВИ является результатом его частичного взвешивания Т2.

Диффузионный тензорный изображение

Диффузионно-тензорная визуализация (DTI) - это метод магнитно-резонансной визуализации, который позволяет измерять ограниченную диффузию воды в ткани для получения изображений нервных путей вместо использования этих данных исключительно для назначения контраста или цветов пикселям в поперечном сечении изображения. Он также предоставляет полезную структурную информацию о мышцах, включая сердечную мышцу, а также о других тканях, таких как простата. В DTI каждый воксель имеет одну или несколько пар параметров: скорость диффузии и предпочтительное направление диффузии, описанное в терминах трехмерного пространства, для которого этот параметр является действительным. Свойства каждого вокселя одного изображения DTI обычно рассчитываются с помощью векторной или тензорной математики из шести или более различных взвешенных по диффузии приобретений, каждый из которых получается с различной ориентацией градиентов сенсибилизации диффузии. В некоторых методах выполняются сотни измерений, каждый из которых составляет полное изображение, чтобы получить единый вычисленный набор данных изображения. Более высокое содержание информации в вокселе ДТИ делает его чрезвычайно чувствительным к тонким патологиям в мозге. Кроме того, направленная информация может быть использована на более высоком уровне структуры для выбора и следования за нейронными трактами через мозг - процесс, называемый трактографией. Более точное изложение процесса получения изображения заключается в том, что интенсивность изображения в каждом положении ослабляется в зависимости от силы (значения b) и направления так называемого магнитного градиента диффузии, а также от местной микроструктуры, в которой диффундируют молекулы воды. Чем более ослабленное изображение находится в заданном положении, тем больше диффузия в направлении градиента диффузии. Для измерения полного профиля диффузии ткани необходимо повторить МР-сканирование, применяя различные направления (и, возможно, силы) градиента диффузии для каждого сканирования.

Физические тензоры

Идея тензора в физической науке возникла из попыток описать количество физических свойств. Первые свойства, к которым они были применены, были теми, которые можно описать одним числом, например, температурой. Свойства, которые могут быть описаны таким образом, называются скалярами; их можно считать тензорами ранга 0 или тензорами 0-го порядка. Тензоры также могут использоваться для описания величин, которые имеют направленность, например, механические силы. Эти величины требуют указания величины и направления, и часто представлены вектором. Трехмерный вектор может быть описан тремя компонентами: его проекцией на оси x, y и z. Векторы такого рода можно считать тензорами ранга 1 или тензорами первого порядка. Тензор часто является физическим или биофизическим свойством, которое определяет связь между двумя векторами. Когда сила применяется к объекту, в результате может возникнуть движение. Если движение происходит в одном направлении, то преобразование можно описать с помощью вектораa тензора ранга 1. Однако в ткани диффузия приводит к движению молекул воды по траекториям, которые со временем движутся в нескольких направлениях, что приводит к сложной проекции на картезианские оси. Эта модель воспроизводима, если на ту же ткань применяются те же условия и силы. Если существует внутренняя анизотропная организация ткани, которая ограничивает диффузию, то этот факт будет отражен в схеме диффузии. Связь между свойствами движущей силы, которые генерируют диффузию молекул воды, и полученной моделью их движения в ткани, может быть описана тензором. Коллекция молекулярных смещений этого физического свойства может быть описана девятью компонентами, каждая из которых связана с парой осей xx, yy, zz, xy, yx, xz, zx, yz, zy. Они могут быть записаны в виде матрицы, подобной той, что в начале этого раздела. Диффузия из точечного источника в анизотропной среде белого вещества ведет себя аналогично. Первый импульс диффузионного градиента Стейскаля-Таннера эффективно маркирует некоторые молекулы воды, а второй импульс эффективно показывает их смещение из-за диффузии. Каждое направление градиента измеряет движение вдоль направления этого градиента. Шесть или более градиентов суммируются, чтобы получить все измерения, необходимые для заполнения матрицы, предполагая, что она симметрична выше и ниже диагонали (красные подписчики). В 1848 году Анри Хюро де Сенармон нанес нагретый точек на полированную кристаллическую поверхность, которая была покрыта воском. В некоторых материалах, имеющих "изотропную" структуру, кольцо плавленого материала распространяется по поверхности в виде круга. В анизотропных кристаллах рассеяние принимало форму эллипса. В трех измерениях это расширение представляет собой эллипсоид. Как показал Адольф Фик в 1850-х годах, диффузия демонстрирует многие из тех же закономерностей, что и передача тепла.

Математика эллипсоидов

На этом этапе полезно рассмотреть математику эллипсоидов. Эллипсоид можно описать по формуле: Это уравнение описывает квадратную поверхность. Относительные значения a, b и c определяют, описывает ли квадрик эллипсоид или гиперболоид. Как оказалось, можно добавить еще три компонента следующим образом: многие комбинации a, b, c, d, e и f все еще описывают эллипсоиды, но дополнительные компоненты (d, e, f) описывают вращение эллипсоида относительно ортогональных осей картезианской системы координат. Эти шесть переменных могут быть представлены матрицей, похожей на тензорную матрицу, определенную в начале этого раздела (поскольку диффузия симметрична, то нам нужно только шесть вместо девяти компонентов - компоненты ниже диагональных элементов матрицы такие же, как компоненты над диагонали). Это то, что подразумевается, когда говорится, что компоненты матрицы тензора второго порядка могут быть представлены эллипсоидом. Если значения диффузии шести членов квадратного эллипсоида помещены в матрицу, это создает эллипсоид, наклоненный от ортогональной сетки. Его форма будет более удлиненной, если относительная анизотропия высока. Когда эллипсоид/тензор представлен матрицей, мы можем применить полезный метод из стандартной матричной математики и линейной алгебры, то есть "диагонализировать" матрицу. Это имеет два важных значения в визуализации. Идея заключается в том, что существуют два эквивалентных эллипсоида идентичной формы, но с разными размерами и ориентацией. Первый из них - измеренный эллипсоид диффузии, расположенный под углом, определяемым аксонами, а второй идеально выравнивается с тремя картезианскими осьми. Термин "диагонализация" относится к трем компонентам матрицы по диагонали с верхнего левого по нижний правый (компоненты с красными подписчиками в матрице в начале этого раздела). Переменные , , и расположены вдоль диагонали (красные подчеркивания), но переменные d, e и f "за диагонали". Затем становится возможным сделать шаг векторной обработки, в котором мы перепишем нашу матрицу и заменим ее новой матрицей, умноженной на три разных вектора единичной длины (длина = 1,0). Матрица диагонализирована, потому что все компоненты диагонали теперь равны нулю. Угол вращения, необходимый для достижения этого эквивалентного положения, теперь появляется в трех векторах и может быть прочитано как компоненты х, у и z каждого из них. Эти три вектора называются "eigenvectors" или характерные вектора. Они содержат информацию об ориентации исходного эллипсоида. Три оси эллипсоида теперь прямо вдоль основных ортогональных осей системы координат, так что мы можем легко сделать вывод об их длинах. Эти длины являются собственными значениями или характеристическими значениями. Диагонализация матрицы производится путем нахождения второй матрицы, с которой ее можно умножить, а затем умножить на обратную сторону второй матрицы, где результатом является новая матрица, в которой три диагональные (xx, yy, zz) компонента имеют числа, но вне диагональные компоненты (xy, yz, zx) равны 0. Вторая матрица предоставляет собственновекторную информацию.

Исследования

В начале разработки трактографии на основе DTI ряд исследователей указали на недостаток в модели тензора диффузии. Тензорный анализ предполагает, что в каждом вокселе изображения есть один эллипсоид, как если бы все аксоны, проходящие через воксель, двигались в точном том же направлении. Это часто верно, но можно подсчитать, что более чем в 30% вокселей на изображении мозга стандартного разрешения есть по крайней мере два различных нейронных тракта, движущихся в разных направлениях, которые проходят друг через друга. В классической диффузионной эллипсоидной тензорной модели информация от пересекающего тракта просто появляется как шум или необъяснимая уменьшенная анизотропия в заданном вокселе. Дэвид Туч был одним из первых, кто описал решение этой проблемы. Идея лучше всего понимается, концептуально размещая своего рода геодезический купол вокруг каждого вокселя изображения. Этот икосаэдр обеспечивает математическую основу для прохождения большого количества равномерно расположенных градиентных траекторий через воксель, каждая из которых совпадает с одной из вершин икосаэдра. В основном, мы теперь собираемся взглянуть на воксель из большого количества различных направлений (обычно 40 или более). Мы используем "n-тупличные" черепицы, чтобы добавить более равномерно расположенные вершины к оригинальному икосаэдру (20 лиц) - идея, которая также имела свои прецеденты в исследованиях палеомагнетизма несколько десятилетий назад. Мы просто хотим знать, в каком направлении линии обращаются к максимальным анизотропным мерам диффузии. Если будет один трактат, то будут только две максимы, указывающие в противоположных направлениях. Если два тракта пересекаются в вокселе, то будет две пары максимумов и так далее. Мы можем использовать тензорную математику, чтобы использовать максимумы для выбора групп градиентов, чтобы упаковать их в несколько различных тензорных эллипсоидов в одном вокселе, или использовать более сложные тензорные анализы более высокого ранга, или мы можем сделать настоящий "бесмодельный" анализ, который просто выбирает максимумы и продолжает делать трактографию. Метод Q Ball трактографии является реализацией, в которой Дэвид Туч предоставляет математическую альтернативу тензорной модели. Обратите внимание, что в настоящее время ведутся дебаты о лучшем способе предварительной обработки МРТ DW. Несколько исследований in vivo показали, что выбор программного обеспечения и применяемых функций (направленных на коррекцию артефактов, возникающих, например, в результате движения и вихревых течений) оказывают значительное влияние на оценки параметров DTI из тканей. Следовательно, это тема многонационального исследования, проводимого группой исследования диффузии ISMRM.

Резюме

Для DTI, как правило, можно использовать линейную алгебру, матричную математику и векторную математику для обработки анализа тензорных данных. В некоторых случаях интересен полный набор свойств тензора, но для трактографии обычно необходимо знать только величину и ориентацию первичной оси или вектора. Эта первичная ось - та, которая имеет наибольшую длину, - является наибольшей собственной величиной, и ее ориентация закодирована в соответствующем собственном векторе. Для выполнения трактографии требуется только одна ось, поскольку предполагается, что наибольшее собственное значение выравнивается с направлением основного аксона.