Верификакция МРТ трактографии аксональных трактов in vivo

В работе проводится верификация данных аксональной трактографии in vivo при помощи двух параметров – вероятности и энтропии. В ходе анализа данных было выявлено, что вероятность лучше, чем энтропия характеризует направление тракта, насколько оно совпадает с направлением диффузии в данном вокселе, а энтропия позволяет определять области пересечения и разветвления трактов. Так же в данной работе было проведено исследование данных 5 пациентов с геморрагическим инсультом головного мозга и была выявлена корреляция между степенью поражения и величиной энтропии в области поражения.

1) Оптимизация методов верификации, разработанных и апробированных нами ранее на цифровых фантомах, для анализа реальных МРТ данных, измеренных на здоровых добровольцах и на пациентах.
2) Анализ результатов аксональной трактографии по ДВ-МРТ данным, измеренным с различным пространственным разрешением, различным количеством ДВ-направлений и с отношением сигнал-шум с целью оценки достоверности обнаружения трактов в зависимости от параметров измеренных данных.
3) Анализ данных аксональной трактографии в зоне геморрагического инсульта головного мозга для лучшего выявления поврежденных трактов и зон головного мозга и соотнесение полученных параметров оценки достоверности со степенью тяжести поражений.

Измерение самодиффузии воды при помощи МРТ открывает большие возможности для исследования биологических тканей in vivo, в частности тканей головного мозга. Для этой цели используются различные методики на основе диффузионно-взвешенных изображений (ДВ-МРТ), одной из которых является аксональная трактография (АТ) [1].

Алгоритмы АТ используют информацию ДВ-МРТ, чтобы найти пути прохождения нервных волокон, что открывает большие возможности для изучения нервной системы и клинической диагностики.  Однако недостаток информации, шумы и искажения в данных  могут привести к неверной трактовке результатов алгоритмов АТ и ошибочному определению связей в головном мозге. Поэтому результаты АТ требуют верификациии.

 

В качестве параметров оценки используются вероятность и энтропия Шеннона. Первоначальная формула для оценки вероятности диффузии молекул воды была взята из статьи Коха [3], однако данная формула была предложена для несколько иных целей, поэтому исходная формула была приведена к следующему виду

 \(p(r)= \frac{(rDr')^7\Omega}{S}\)                                                    

где r – вектор направления тракта в данном вокселе, \(\Omega\)  – некоторый телесный угол, в пределах которого определяется вероятность,\(S\) – площадь поверхности, натягиваемой на направления диффузионного взвешивания.

Энтропия Шеннона в вокселе m:

\(H(m)=-\sum p(r)log_2p(r)\)                                   

где p(i) – ранее рассмотренные коэффициенты вероятности.

Для исследований были смоделированы цифровые фантомы, с различными FA факторами, исследования проводились при различных уровнях сигнал/шум.

Так же исследования проводились на реальных МРТ данных различного качества:

1. Данные, полученные на МРТ-томографе «Siemens», поле – 1,5 Тесла, амплитуда градиентов 30 мТ/м, находящийся в Республиканской Клинической больнице №2.  Были получены данные для 2 групп пациентов: здоровые пациенты и пациенты с геморрагическим инсультом. Параметры сканирования: разрешение– 2*2*3 мм; b=850, 12 направлений градиента.
2. Данные здорового человека, полученные на МРТ томографе «Siemens Connectom», 3 Тесла, амплитуда градиентов 30 мТ/м, находящийся в Massachusetts General Hospital (MGH), Бостон. Параметры сканирования: разрешение 1,5*1,5*1,5 мм; b=1000, 64 направления градиента.

 

Полученные результаты

Из всех трактов, полученных после обработки данных алгоритмами аксональной трактографии, были выделены тракты мозолистого тела и кортикоспинальный тракт. Было исследовано изменение параметров по ходу тракта. На рис. 1 представлено изменение параметров для тракта мозолистого тела.  По изменению вероятности и энтропии можно четко выделить области параллельной упаковки трактов (низкая энтропия и высокая вероятность), а также области, где происходить разветвление и пересечение трактов (увеличение энтропии и снижение вероятности).

В ходе анализа данных было выяснено, что совместная оценка двух параметров позволяет оценивать корректность прохождения трактов в рамках конкретной модели реконструкции изображения. На рис. 2 представлены два варианта прохождения тракта. Эти тракты были получены различными алгоритмами аксональной трактографии, причем во втором случае метод достаточно чувствителен к входным задаваемым оператором параметрам, если эти параметры будут заданы некорректно, то могут возникать ошибки. На рис. 3 показано изменение параметров для этих двух трактов. Во втором случае (красный тракт) по энтропии можно выделить область параллельной упаковки трактов, однако скачки вероятности указывают на то, что направление тракта не совпадает с направлением диффузии в некоторых вокселах.

Анализ данных пациентов с ишемическим поражением головного мозга

Было проведено исследование данных 5 пациентов с геморрагическим инсультом и 1 здорового добровольца. Были выделены 2 симметричные зоны на кортикоспинальном тракте, одна в здоровой области – другая на границе области поражения. Ранее в этих областях было определено среднее значение фактора анизотропии и среднего коэффициента диффузии [2]. В данной работе был проведен расчет энтропии в выделенных областях, результаты были соотнесены со степенью тяжести повреждений.

Была выявлена корреляция между значением энтропии и степенью тяжести поражения - наиболее тяжелым поражениям соответствовало более высокое среднее значение энтропии в зоне поражения.

 

1) Ильясов К.А., Аганов А.В., Крехер Б.В. Магнитно-резонансная томография по тензору диффузии в исследовании микроструктуры и архитектуры белого вещества головного мозга// Технологии живых систем. 2012. Т. 9. №6
2) Il’yasov K.A., Nedopekin O.V., Konopleva L.V., Davletshina A.R., Nizamova D.M. Verification of MRI-based fiber tracking results //Abstracts of Magnetic Resonance: fundamental research and pioneering applications (MR-70). Kazan, Russia, July 2014. P.34.
4) Koch M.A., Norris D.G., Hund-Georgiadis M. An investigation of functional and anatomical connectivity using magnetic resonance imaging //Neuroimage. 2002. V. 16. № 1. P. 241−250.

In this work, methods have been proposed to validate results of MRI Fiber Tracking (FT). Several parameters have been considered, which can give information about correctness of localization of axonal tracts. The method is based on the constancy of probability and entropy along the tract. Calculations were made on numerical phantoms and on real MRI data too. it was found, that the probability characterizes the direction of the fibers, and entropy characterizes the shape of diffusivity in voxel. After analysis data of patients with stroke, it was found that entropy increases in damaged area.