Использование диффузионно-тензорной визуализации при черепно-мозговой травме

Диффузионно-тензорная визуализация? ДТИ — это метод магнитного резонанса, который основан на диффузии молекул воды для изучения целостности сетей белого вещества — пучков аксонов, которые соединяют корковое и подкорковое серое вещество — в мозге.

Эти взаимосвязанные структуры могут быть повреждены при контакте внешней силы, такой как футбольный мяч, с головой во время матча. Такие повторяющиеся взаимодействия могут привести к более серьезной травме, называемой черепно-мозговой травмой, сокращенно ЧМТ.

Со временем повреждение белого вещества головного мозга часто связано с дефицитом когнитивных функций, особенно в области внимания. Например, игрок с ЧМТ может больше отвлекаться на болельщика на трибунах и медленнее реагировать на команду соперника.

Основываясь на предыдущей работе, выполненной Краусом и его коллегами, это видео демонстрирует, как измерить целостность белого вещества с помощью DTI у пациентов с ЧМТ по сравнению со здоровыми контрольными лицами.

Мы также исследуем когнитивные функции с помощью задания на избирательное внимание, объясним, как анализировать данные визуализации, и интерпретируем связь между значениями диффузии в определенных областях интереса и контролем внимания.

В этом эксперименте две группы участников – пациенты с диагнозом ЧМТ средней и тяжелой степени и здоровые лица контрольной группы – сканировались с использованием протокола DTI, а затем тестировались на внимательность.

Во-первых, давайте обсудим несколько принципов, лежащих в основе DTI: этот метод чувствителен к диффузии молекул воды, которые всегда движутся, в основном параллельно огромному количеству аксональных пучков. Этот тип движения известен как анизотропная диффузия.

Наряду с траекторией потока воды, величина диффузии может быть измерена для вычисления тензора, по сути, иллюстрируемого в виде эллипсоида с направлением. Эта величина количественно определяется на основе относительной длины и ширины с помощью метода, называемого дробной анизотропией, сокращенно FA.

В частности, значения FA могут находиться в диапазоне от 0 изотропных, или равных движений, до 1, что отражает наибольшую степень анизотропии.

Точность максимальна для всех вокселей за счет получения диффузионных изображений во время МРТ во многих различных направлениях, которые соответствуют сдвигам приложенного магнитного поля. Это повышенное разрешение происходит за счет времени.

Зная это, критическая зависимая переменная состоит из значений FA для трех областей интереса, или ROI: передней corona radiata, селезенки мозолистого тела и верхнего продольного пучка.

По сравнению с нормальным контролем, ожидается, что значения FA будут снижены у лиц с ЧМТ, поскольку ожидается, что их белое вещество будет скомпрометировано нелокализованным образом, что приведет к меньшей анизотропии по всем ROI.

Тем не менее, одна область – передняя лучевая корона – связана с соединениями с передней поясной корой, которая играет важную роль в контроле внимания.

Для дальнейшего изучения этой функциональной взаимосвязи между целостностью белого вещества и поведением все участники были протестированы с помощью задания «Сеть внимания», разработанного Фаном и его коллегами.

В этой парадигме участников просят сосредоточить свое внимание, сначала на фиксирующий крест, который появляется в течение переменной продолжительности от 400 до 1600 мс, за которым следуют два разных типа стрелок: центральная и две фланговые группы, которые могут различаться в направлении, в котором они указывают.

В половине испытаний все стрелки указывают в одном направлении, и они считаются конгруэнтными. Для другой половины центральная стрелка указывает в противоположную сторону от фланговых, и эти случаи называются неконгруэнтными. Участникам предлагается распределить стрелки по категориям, как можно быстрее нажимая соответствующие клавиши при появлении каждого нового набора.

Здесь разница во времени реакции между типами испытаний рассчитывается как еще одна зависимая переменная. Ожидается, что люди, которые больше отвлекаются на фланкирующие стрелки, будут иметь более высокую оценку разницы, что указывает на плохой контроль внимания.

Таким образом, предполагается, что этот показатель отрицательно коррелирует со значениями FA, особенно в области, связанной со способностью внимания – передней corona radiata, а не в других, тем самым показывая функциональную значимость определенных трактов белого вещества.

Перед началом эксперимента были набраны 20 взрослых пациентов, у которых была диагностирована ЧМТ средней и тяжелой степени в течение последних 6 месяцев, и контрольная группа соответствующего возраста, у которых в анамнезе не было неврологических или психологических расстройств.

Для этой демонстрации протестируйте пациента, у которого документально подтверждена потеря сознания более чем на 30 минут или который набрал < 13 баллов по шкале комы Глазго.

В день сканирования поприветствуйте их и убедитесь, что они не страдают клаустрофобией или в их теле нет никаких металлов, а также попросите их заполнить необходимые формы согласия, подробно описывающие риски и преимущества исследования.

После получения согласия подготовьте пациента к входу в кабинет сканирования. Для получения более подробной информации о процедурах предварительного сканирования, пожалуйста, обратитесь к другому проекту МРТ в этой коллекции.

Теперь, когда пациент находится в отверстии сканера, сначала соберите анатомическое сканирование с высоким разрешением. Затем инициируйте последовательность импульсов, оптимизированную для DTI, путем получения изображения B0, которое не чувствительно к направлению диффузии, а также нескольких диффузионно-взвешенных изображений в 64 различных направлениях.

Когда последовательность будет завершена, выведите пациента из сканера в экспериментальную комнату с компьютером для выполнения следующей фазы — задачи сети внимания.

Объясните инструкции к заданию: они увидят на экране серию из пяти стрелок и должны сосредоточиться только на центральной. Чтобы обеспечить быстрые и точные ответы, попросите их положить руки на клавиатуру, указательным пальцем левой руки — клавишу «F», а правый — на клавишу «J».

Во время испытаний, когда центральная стрелка указывает влево, попросите их нажать «F». В противном случае, когда он обращен вправо, нажмите 'J'.

Дайте пациенту пройти 100 попыток: помните, что каждое из них начинается с фиксирующего креста, который остается на экране в течение переменной продолжительности от 400 до 1600 мс, после чего появляются стрелки, и центральная из них будет либо неконгруэнтной, либо конгруэнтной.

Обратите внимание, что стрелки остаются на экране до тех пор, пока пациент не ответит, или не более 1700 мс, если он не нажмет ни одну из клавиш. Также обратите внимание, что каждое испытание заканчивается фиксирующим крестом, который остается видимым в течение общей продолжительности испытания 4 с.

В конце задания на внимание проведите брифинг с пациентом, чтобы завершить исследование, и вознаградите его за участие.

После того, как сканер и поведенческие данные получены, необработанные файлы диффузии сначала необходимо преобразовать в тензорные изображения.

Чтобы начать предварительную обработку, выполните коррекцию искажений для вихревых токов, которые обычно возникают в исходных данных в результате изменения магнитного поля во время сбора.

Чтобы компенсировать движение, примените линейное аффинное преобразование твердого тела, которое регистрирует каждое из изображений направленной диффузии в опорной точке B0.

Кроме того, изолируйте мозг от черепа и других ненервных тканей, чтобы убедиться, что тензоры не рассчитываются для вокселей за пределами мозга.

Теперь объедините все 64 направленных изображения, чтобы рассчитать тензор диффузии в каждом вокселе, и выведите соответствующие значения FA на заднем плане.

Затем зарегистрируйте диффузионные изображения на анатомическом сканировании с высоким разрешением, а затем в стандартном пространстве атласа, чтобы обеспечить анализ на уровне группы.

После завершения предварительной обработки используйте атлас белого вещества для определения трех ROI: передней corona radiata, селезенки мозолистого тела и верхнего продольного пучка.

Наконец, зарегистрируйте анатомическое изображение каждого участника в стандартном атласе и используйте его для деформации масок ROI в пространство мозга каждого участника.

Чтобы построить график данных, сравните извлеченные значения FA по группам, отображая каждый ROI отдельно. Обратите внимание, что значения ФА были значительно ниже в группе ЧМТ во всех трех ROI, что указывает на распространенное повреждение белого вещества у этих пациентов.

Чтобы включить поведенческие данные, составьте график различий во времени реакции между неконгруэнтными и конгруэнтными испытаниями в сравнении со значениями ФА для всех испытуемых. Выполните корреляционный анализ Пирсона для этих общих результатов, опять же независимо для каждого ROI.

На этот раз только одна из областей – передняя лучевая корона – показала значимую корреляцию, в отрицательную сторону. То есть, высокие значения FA были связаны с быстрым временем реакции, в то время как низкая анизотропия соответствовала более длительному времени реакции. Эти результаты свидетельствуют о функциональной связи между соединением белого вещества и контролем внимания.

Теперь, когда вы знакомы с тем, как связать структуру и функцию с помощью DTI и задачи контроля внимания, давайте рассмотрим, как исследователи используют аналогичные подходы для изучения других популяций с нарушенной связностью или в качестве способа ее защиты.

В то время как нормальное старение связано со снижением когнитивных функций, изменения не обязательно широко распространены. Скорее, они, по-видимому, связаны со специфическими функциями, которые соответствуют целостности белого вещества и сниженным значениям FA, особенно в префронтальной коре. Таким образом, диффузионная визуализация может быть использована в качестве метода раннего выявления возрастных изменений исполнительной функции.

Используя данные, собранные DTI, исследователи могут использовать 3D-технику, называемую волоконной трактографией, и реконструировать тракты белого вещества по всему мозгу. Эта процедура моделирования полезна во многих областях, включая нейрохирургию.

Если, например, хирургам необходимо удалить опухоль, они могут точно спланировать, где находятся тракты белого вещества в непосредственной близости от критических структур, и избежать пагубных последствий.

Вы только что посмотрели введение JoVE в диффузионно-тензорную визуализацию. Теперь у вас должно быть хорошее понимание того, как планировать и проводить эксперимент DTI, а также как анализировать и интерпретировать конкретные паттерны диффузии с когнитивными последствиями, связанными с черепно-мозговой травмой.

Спасибо за просмотр!