Трактография - Tractography
Трактография | |
---|---|
Цель | используется для визуального представления нервных путей |
В неврологии , трактография является моделирование 3D - метод , используемый для визуального представления нервных трактов , используя данные , собранные с помощью диффузионной МРТ . В нем используются специальные методы магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной диффузной МРТ. Результаты представлены в виде двух- и трехмерных изображений, называемых трактограммами .
В дополнение к длинным путям, соединяющим мозг с остальным телом, существуют сложные нервные цепи, образованные короткими связями между различными корковыми и подкорковыми областями. Существование этих трактов и цепей было обнаружено гистохимическими и биологическими методами на посмертных образцах. Нервные тракты не идентифицируются при прямом осмотре, КТ или МРТ . Эта трудность объясняет скудность их описания в атласах нейроанатомии и плохое понимание их функций.
Самый продвинутый алгоритм трактографии может дать 90% базовых пакетов достоверных данных, но он по-прежнему содержит значительное количество неверных результатов.
Техника МРТ
Трактография выполняется с использованием данных диффузной МРТ . Свободная диффузия воды называется « изотропной » диффузией. Если вода диффундирует в среде с барьерами, диффузия будет неравномерной, что называется анизотропной диффузией. В таком случае относительная подвижность молекул из источника имеет форму, отличную от сферы . Эта форма часто моделируется как эллипсоид , и тогда этот метод называется визуализацией тензора диффузии . Барьерами могут быть разные вещи: клеточные мембраны, аксоны, миелин и т.д .; но в белом веществе основным барьером является миелиновая оболочка аксонов . Связки аксонов создают барьер для перпендикулярной диффузии и путь для параллельной диффузии вдоль ориентации волокон.
Ожидается, что анизотропная диффузия будет увеличиваться в областях с высоким зрелым аксональным порядком. Состояния, при которых нарушены миелин или структура аксона, такие как травмы , опухоли и воспаление, уменьшают анизотропию, поскольку на барьеры влияют разрушение или дезорганизация.
Анизотропия измеряется несколькими способами. Один из способов - это соотношение, называемое фракционной анизотропией (FA). FA, равный 0, соответствует идеальной сфере, а 1 - идеальной линейной диффузии. Немногие регионы имеют FA больше 0,90. Число дает информацию о степени асферичности диффузии, но ничего не говорит о направлении.
Каждая анизотропия связана с ориентацией преобладающей оси (преобладающим направлением диффузии). Программы постобработки могут извлекать эту направленную информацию.
Эту дополнительную информацию трудно представить на двухмерных изображениях с оттенками серого. Чтобы решить эту проблему, введен цветовой код. Основные цвета могут сказать наблюдателю, как волокна ориентированы в трехмерной системе координат, это называется «анизотропной картой». Программа могла кодировать цвета таким образом:
- Красный указывает направления по оси X : справа налево или слева направо.
- Зеленым цветом обозначены направления по оси Y : сзади кпереди или от переднего кзади.
- Синим цветом обозначены направления по оси Z : от стопы к голове или наоборот.
Этот метод не позволяет различить «положительное» или «отрицательное» направление одной и той же оси.
Математика
Используя МРТ тензора диффузии , можно измерить кажущийся коэффициент диффузии в каждом вокселе изображения, и после полилинейной регрессии по нескольким изображениям можно восстановить весь тензор диффузии.
Предположим, что в образце есть интересующий волоконный тракт. Следуя формулам Френе – Серре , мы можем сформулировать пространственный путь волоконного тракта как параметризованную кривую:
где - касательный вектор кривой. Восстановленный тензор диффузии можно рассматривать как матрицу, и мы можем вычислять ее собственные значения и собственные векторы . Приравнивая собственный вектор, соответствующий наибольшему собственному значению, с направлением кривой:
мы можем решить, учитывая данные для . Это можно сделать с помощью численного интегрирования, например, с помощью метода Рунге – Кутты , и путем интерполяции главных собственных векторов .