Imaginea tensorului de difuzie

Informațiile prezentate nu sunt sfaturi medicale și este posibil să nu fie corecte. Conținutul are doar scop ilustrativ și nu înlocuiește sfatul medicului: citiți avertismentele .

Imaginea tensorului de difuzie
Procedura de diagnostic Imagine obținută prin tensorul de difuzie
Anestezie	Nu
Plasă	D056324

Tensorul de difuzie este un instrument de rezonanță magnetică prin care pot fi construite imagini biomedicale ( DTI , acronim al englezului Diffusion Tensor Imaging ), chiar și tridimensional , dar de tip intrinsec .

Tensorul , adică, folosește calculul pentru a defini noțiuni geometrice de distanță , unghi și volum și pentru a studia curbele structurilor anatomice în care o dimensiune este mult mai mare decât celelalte două (de exemplu, fasciculele de fibre nervoase ale substanței albe ).

Moleculele de apă dintr-un țesut biologic nu sunt libere să se miște, datorită prezenței membranelor biologice și a structurilor celulare și infracelulare , dar tocmai din acest motiv se poate observa o izotropie a unor astfel de mișcări în complex: aparent, adică apa moleculele nu se mișcă într-o anumită direcție, dar o fac în aceeași măsură în toate cele trei direcții.
Pe de altă parte, structurile anatomice omogene, cum ar fi fasciculele de fibre nervoase, au o anizotropie , adică o direcționalitate particulară care se reflectă în difuzia moleculelor de apă și care este exploatată cu precizie pentru a crea imaginile 3D ale DTI.

Tehnică

Pentru a obține o imagine DTI sunt necesare cel puțin 6 achiziții ponderate DWI .

Aceasta derivă informațiile direcționale ale tractelor neuronale din mai multe date provenite din același voxel, utilizând algoritmi 3D sau vector multidimensional bazat pe trei, șase sau mai multe direcții de gradient, suficiente pentru a elabora tensorul de difuzie. Modelul de difuzie este un model destul de simplu al procesului de difuzie, care presupune omogenitatea și liniaritatea difuziei în cadrul fiecărui voxel de imagine. Din tensorul de difuzie, măsurători ale anizotropiei de difuzie, cum ar fi anizotropia fracționată (FA), se obțin prin procesare. Mai mult, direcția principală a tensorului de difuzie poate fi utilizată pentru a deduce conectivitatea substanței albe a creierului (de exemplu, în tractografie pentru a determina ce porțiune a creierului este conectată la o altă parte).

Recent, au fost propuse modele mai avansate ale procesului de difuzie, cu scopul de a depăși slăbiciunea modelului matematic al tensorului de difuzie. Printre altele, acestea includ „Q-Space Imaging” ^[1] ^[2] ^[3] și imagistica cu tensor de difuzie generalizată.

Cum este descris

Instrumentul matematic care descrie distribuția difuziei în 3D este tensorul de difuzie , care nu este altceva decât o matrice simetrică 3x3 (6 parametri independenți).
Este vorba de asocierea unui tensor la fiecare punct al spațiului, creșterea numărului de parametri asociați cu fiecare poziție. Pentru a obține imagini sensibile la efectele de difuzie, este necesar să se introducă gradenți ad hoc de câmp magnetic în secvența de achiziție.

Ecuația Bloch - Torrey

În 1956, HC Torrey a demonstrat matematic cum se schimbă ecuațiile Bloch pentru magnetizare cu adăugarea difuziei. ^[4] Torrey a modificat descrierea originală a magnetizării transversale a lui Bloch pentru a include termeni de difuzie și aplicarea unui gradient spațial variabil.
Ecuația Bloch-Torrey (lăsând deoparte relaxarea) este:

{\frac {dM_{+}}{dt}}=-j\gamma {\vec {r}}\cdot {\vec {G}}M_{+}+{\vec {\nabla }}^{T}\cdot {\vec {\vec {D}}}\cdot {\vec {\nabla }}M_{+}

{\ displaystyle {\ frac {dM _ {+}} {dt}} = - j \ gamma {\ vec {r}} \ cdot {\ vec {G}} M _ {+} + {\ vec {\ nabla }} ^ {T} \ cdot {\ vec {\ vec {D}}} \ cdot {\ vec {\ nabla}} M _ {+}}

{\ displaystyle {\ frac {dM _ {+}} {dt}} = - j \ gamma {\ vec {r}} \ cdot {\ vec {G}} M _ {+} + {\ vec {\ nabla }} ^ {T} \ cdot {\ vec {\ vec {D}}} \ cdot {\ vec {\ nabla}} M _ {+}}

Pentru cel mai simplu caz în care difuzia este izotropă, tensorul de difuzie este echivalent cu

{\vec {\vec {D}}}=D\cdot {\vec {\vec {I}}}=D\cdot {\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{bmatrix}},

{\ displaystyle {\ vec {\ vec {D}}} = D \ cdot {\ vec {\ vec {I}}} = D \ cdot {\ begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix}},}

{\ displaystyle {\ vec {\ vec {D}}} = D \ cdot {\ vec {\ vec {I}}} = D \ cdot {\ begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix}},}

ceea ce înseamnă că ecuația Bloch - Torrey va avea soluția

M_{+}({\vec {r}},t)=M_{0}e^{-{\frac {1}{3}}D\gamma ^{2}G^{2}t^{3}}e^{-j\gamma {\vec {r}}\cdot \int _{0}^{t}dt'{\vec {G}}(t')}.

{\ displaystyle M _ {+} ({\ vec {r}}, t) = M_ {0} e ^ {- {\ frac {1} {3}} D \ gamma ^ {2} G ^ {2} t ^ {3}} e ^ {- j \ gamma {\ vec {r}} \ cdot \ int _ {0} ^ {t} dt '{\ vec {G}} (t')}.}

{\ displaystyle M _ {+} ({\ vec {r}}, t) = M_ {0} e ^ {- {\ frac {1} {3}} D \ gamma ^ {2} G ^ {2} t ^ {3}} e ^ {- j \ gamma {\ vec {r}} \ cdot \ int _ {0} ^ {t} dt '{\ vec {G}} (t')}.}

Aceasta demonstrează o dependență cubică a magnetizării transversale de timp. Difuzia anizotropă va avea o metodă de soluție similară, dar cu un tensor de difuzie mai complex.

Aplicații

Principalele aplicații sunt cele în vizualizarea substanței albe , pentru a determina localizarea, orientarea și anizotropia tractelor și fasciculelor de fibre nervoase. Arhitectura grupurilor de axoni din fascicule paralele și învelișurile lor de mielină facilitează difuzia moleculelor de apă preferențial de-a lungul direcției lor principale. Această difuzie orientată se numește difuzie anizotropă (din engleză: anisotropic diffusion ).

Reconstrucția tractografică a conexiunilor neuronale prin DTI

Imaginarea acestei proprietăți de substanță albă este o extensie a RMN-ului de difuzie. Dacă se aplică o serie de gradienți de difuzie (adică variații ale câmpului magnetic în magnetul RMN) astfel încât să poată furniza cel puțin 3 vectori direcționali (utilizarea a 6 gradienți diferiți este minimul minim și gradienții suplimentari îmbunătățesc precizia pentru „ informație diagonală), este posibil să se calculeze, pentru fiecare voxel , un tensor (adică să se definească o matrice simetrică pozitivă) care descrie forma tridimensională a difuziei moleculelor de apă. Direcția fibrelor este indicată de vectorul propriu principal al tensorului. Acest vector poate primi o codare falsă a culorilor, oferind astfel o cartografie a poziției și direcției curselor (roșu pentru stânga-dreapta, albastru pentru superior-inferior și verde pentru anterior-posterior). Luminozitatea este ponderată de anizotropia fracționată, care este o măsură scalară a gradului de anizotropie într-un anumit voxel. „Difuzivitatea medie” (în engleză „Difuzivitatea medie” sau MD) sau urma este o măsură scalară a difuziei totale în interiorul unui voxel. Aceste măsurători sunt adesea folosite în clinică pentru localizarea leziunilor de substanță albă care nu sunt observate în alte forme de imagistică prin rezonanță magnetică clinică.

Datele din imagistica tensorului de difuzie pot fi utilizate pentru a efectua tractografie în substanța albă . Algoritmii de detectare a fibrelor pot fi folosiți pentru a reconstrui modelul unei fibre pe toată lungimea sa (de exemplu, tractul corticospinal , care trimite impulsurile neuronului motor de la cortexul motor la neuronii motori ai coarnelor anterioare ale măduvei spinării ). Tractografia este o metodă utilă pentru măsurarea deficitelor de substanță albă, precum cele datorate bolilor demielinizante ( adrenoleucodistrofie , SLA , MS ) sau îmbătrânirii. Estimările sale privind orientarea și rezistența fibrelor sunt incredibil de exacte și au implicații potențiale largi în domeniul neuroștiinței și al neurobiologiei cognitive.

Unele dintre aplicațiile clinice ale DTI se află în localizarea caracteristică specifică a leziunilor de substanță albă ca diferite tipuri de traume și în stabilirea severității leziunilor cerebrale traumatice difuze . Localizarea tumorii în raport cu tractele de substanță albă (infiltrare, deviere), a fost una dintre cele mai importante aplicații inițiale. Atunci când se planifică intervenția chirurgicală pentru unele tipuri de tumori cerebrale , neurochirurgia este ajutată de cunoașterea proximității și poziției relative a tractului corticospinal față de tumoare.

Utilizarea DTI pentru a stabili rolul substanței albe în dezvoltare, patologie și degenerare a fost în centrul a peste 2.500 de lucrări de cercetare din 2005 . Tehnica DTI promite să fie foarte utilă pentru a distinge boala Alzheimer de alte tipuri de demență . Aplicațiile în cercetarea creierului acoperă reclama. ex. investigarea conectivității rețelelor neuronale in vivo . ^[5]

DTI are, de asemenea, aplicații în investigarea mușchilor scheletici și a inimii . Sensibilitatea la orientarea fibrelor pare să ajute și în domeniul medicinei sportive, unde ajută foarte mult la imagistica structurii și a leziunilor mușchilor și tendoanelor .

Cercetări recente efectuate la Spitalul Barnes-Jewish și la Școala de Medicină a Universității Washington, care au studiat atât persoanele sănătoase, cât și persoanele cu nevrită optică care erau bolnavi recent, dar și cronice (nevrita care este adesea simptomul debutului sclerozei multiple ), a arătat că DTI poate fi utilizat pentru măsurați progresul efectelor acestei boli asupra nervului optic și, prin urmare, asupra vederii, deoarece măsoară difuzivitatea axială a apei în zonă.

Modificări ale substanței albe datorate exercițiilor fizice

În octombrie 2009, au fost publicate cercetări care au documentat o creștere localizată a anizotropiei fracționate în urma antrenamentului într-o sarcină complexă vizual-motorie ( jonglerie ). Publicația a susținut că aceasta este prima dovadă a modificărilor legate de experiență în microstructura substanței albe la oamenii adulți sănătoși. ^[6]

Notă

^ HARDI / Q-Space Imaging
^ q-Imaginea spațială se corelează cu deformarea mecanică
^ q-Imagistica spațială a creierului
^ HC Torrey, Ecuațiile Bloch cu termenii de difuzie , în Physical Review , vol. 104, 1956, p. 563, Bibcode : 1956PhRv..104..563T , DOI : 10.1103 / PhysRev.104.563 .
^ L. Minati, D. Aquino, Probing connectivity neuronal through Diffusion Tensor Imaging (DTI) , In: R. Trappl (Ed.) Cybernetics and Systems 2006 : 263-68, 2006
^ Jan Scholz, Miriam C Klein, Timothy EJ Behrens și Heidi Johansen-Berg,Training induce schimbări în arhitectura substanței albe , în Nature Neuroscience , vol. 12, nr. 11, -, pp. 1370–1371, DOI : 10.1038 / nr . 2412 , ISSN 1097-6256,1546-1726 ( WC ACNP ) , PMC 2770457 , PMID 19820707 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe imaginea cu tensiune difuzivă

linkuri externe

Slicer 3D , pe slicer.org .
Trackvis , pe trackvis.org .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh2005006795 · BNF (FR) cb151239208 (data)

Portalul Anatomiei	Portal IT
Portalul Neuroștiințe	Portal de știință și tehnologie

[1] HARDI / Q-Space Imaging

[2] q-Imaginea spațială se corelează cu deformarea mecanică

[3] q-Imagistica spațială a creierului

[4] HC Torrey, Ecuațiile Bloch cu termenii de difuzie , în Physical Review , vol. 104, 1956, p. 563, Bibcode : 1956PhRv..104..563T , DOI : 10.1103 / PhysRev.104.563 .

[5] L. Minati, D. Aquino, Probing connectivity neuronal through Diffusion Tensor Imaging (DTI) , In: R. Trappl (Ed.) Cybernetics and Systems 2006 : 263-68, 2006

[6] Jan Scholz, Miriam C Klein, Timothy EJ Behrens și Heidi Johansen-Berg,Training induce schimbări în arhitectura substanței albe , în Nature Neuroscience , vol. 12, nr. 11, -, pp. 1370–1371, DOI : 10.1038 / nr . 2412 , ISSN 1097-6256,1546-1726 ( WC ACNP ) , PMC 2770457 , PMID 19820707 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

V · D · M Imagistică prin rezonanță magnetică
Principii fizice și tehnologice	Rezonanta magnetica nucleara · k-spatiu · timpul de relaxare longitudinală · transversală timpul de relaxare · inducție liberă Decay · Parallel Acquisition · Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară · Diseminarea · schimbare chimică
Secvențe	Spin - echo · inversion recovery ( STIR · SPIR · DIR · FLAIR ) · Gradient echo · Turbo spin - echo · imagistica Echo-planare · -difuzie Weighted ( DTI ) · Susceptibilitatea-Ponderat · Perfuzie-Weighted ( DSC · DCE · ASL ) · Angio RM ( TOF · PC · CE-MRA ) · imagistică prin rezonanță magnetică funcțională ( BOLD )
Aplicații clinice	Rezonanță magnetică colangiopancreatografică · RM de sân · neurografie RM · Rezonanță magnetică a creierului · Rezonanță magnetică cardiacă · Angiografie RMN · elastografie de rezonanță magnetică
Alte	Biblioteca software FMRIB · Cartografiere statistică parametrică