Diffusions-Tensor-Bildgebung bei traumatischen Hirnverletzungen

Diffusion Tensor Imaging — DTI — ist eine Technik innerhalb von Magnet-Resonanz, die stützt sich auf die Diffusion von Wassermolekülen, die Integrität der weißen Substanz Netzwerke zu studieren – die Axon-Bündel, die kortikale und subkortikale grauen Substanz zu verbinden – im Gehirn.

Diese miteinander verbundenen Strukturen können beschädigt werden, wenn eine externe Kraft, wie ein Fußball, in Kontakt mit den Kopf während eines Spiels kommt. Diese sich wiederholenden Interaktionen führen zu schweren Verletzungen, traumatische Hirnverletzungen, TBI kurz genannt.

Im Laufe der Zeit ist der Schaden für zerebrale weiße Angelegenheit oft Defizite in der Wahrnehmung, vor allem in der Aufmerksamkeits-Domäne zugeordnet. Zum Beispiel kann ein Spieler mit TBI abgelenkt von einem Fan auf der Tribüne und langsamer reagieren auf die gegnerische Mannschaft sein.

Basierend auf früheren Arbeiten von Kraus und Kollegen, veranschaulicht dieses Video Integrität der weißen Substanz mit DTI bei Patienten mit TBI im Vergleich zu gesunden Personen messen.

Wir werden auch prüfen, kognitive Funktion unter Verwendung einer Aufgabe der selektiven Aufmerksamkeit, erklären, wie man die Bilddaten zu analysieren und interpretieren das Verhältnis zwischen Wert für diffuses Licht in definierten Regionen von Interesse und Aufmerksamkeitskontrolle.

In diesem Experiment, zwei Gruppen von Teilnehmern – diagnostizierten Patienten mit mittelschweren bis schweren TBI und Kontrolle Individuen, die gesund sind – werden gescannt, ein DTI-Protokoll verwenden, und dann auf eine Aufmerksamkeit Aufgabe getestet.

Zuerst sprechen wir über ein paar Prinzipien hinter DTI: die Technik ist empfindlich auf die Diffusion von Wassermolekülen, die immer in, meist parallel zu der riesigen Menge von axonalen bündelt Bewegung sind. Diese Art der Bewegung ist als anisotrop Diffusion bekannt.

Zusammen mit dem Pfad von Wasser-Strömung, die Menge der Diffusion gemessen werden, um den Tensor zu berechnen – im Wesentlichen als ein Ellipsoid mit einer Richtung dargestellt. Dieser Wert wird quantifiziert, basierend auf der relativen Länge der Breite mit einer Methode namens fraktionale Anisotropie, abgekürzt als FA.

Genauer gesagt, FA-Werte reichen von 0 — isotrop oder gleich Bewegung — 1, die die größte Menge der Anisotropie widerspiegelt.

Die Präzision wird über alle Voxel maximiert, durch den Erwerb von Diffusion Bilder während einer MRT-Untersuchung in viele verschiedene Richtungen, die Verschiebungen in der angelegten Magnetfeldes entsprechen. Diese erhöhte Auflösung erfolgt auf Kosten der Zeit.

Wohl wissend, dass eine kritische abhängige Variable der FA besteht für drei Regionen von Interesse oder ROIs Werte: die vorderen Corona Radiata, das Splenium des Corpus Callosum und der überlegenen longitudinal Fasciculus.

Im Vergleich zu normalen Kontrollen, die FA-Werte sollen in den Einzelpersonen mit TBI, reduziert werden erwartungsgemäß ihre weißen Substanz ist gewissermaßen nicht lokalisiert, was zu weniger Anisotropie über alle ROIs beeinträchtigt werden.

Jedoch einer Region – der vorderen Corona Radiata — Verbindungen zu den anterioren cingulären Cortex, die eine wichtige in Aufmerksamkeitskontrolle Rolle zugeordnet ist.

Um weiter diese funktionale Beziehung zwischen weißen Substanz Integrität und Verhalten zu erforschen, werden alle Teilnehmer auf die Aufmerksamkeit Netzwerk Aufgabe von Ventilator und Kollegen entwickelten getestet.

In diesem Paradigma Teilnehmer werden gebeten, ihre Aufmerksamkeit zunächst in Richtung einer Fixierung Kreuz, das scheint für eine Variable Dauer zwischen 400 und 1600 ms, gefolgt von zwei verschiedene Arten von Pfeilen: eine zentrale eins und zwei flankierenden Gruppen, die variieren in die Richtung, die sie verweisen.

In der Hälfte der Versuche zeigen alle Pfeile in die gleiche Richtung; Diese gelten als deckungsgleich sein. Für die andere Hälfte der Mitte Pfeil zeigt den umgekehrten Weg von den flankierenden, und diese Fälle werden als inkongruente bezeichnet. Teilnehmer werden gebeten, die Pfeile durch die zugehörigen Tasten so schnell wie möglich zu machen, erscheint jeder neue Satz zu kategorisieren.

Hier ist als eine andere abhängige Variable unterscheiden sich Reaktionszeiten Studie berechnet. Personen, die durch die flankierenden Pfeile mehr abgelenkt werden sollen einen größeren Unterschied-Score, haben die Armen Aufmerksamkeitskontrolle angibt.

Diese Maßnahme ist daher voraussichtlich negativ korrelieren mit dem FA-Werte, speziell in der Region, die im Zusammenhang mit Aufmerksamkeits Fähigkeit – die vorderen Corona Radiata — und nicht die anderen, so zeigt funktionale Bedeutung von bestimmten weißen Substanz Traktaten.

Rekrutieren Sie vor dem Experiment 20 Erwachsene Patienten, die diagnostiziert wurde mit mittelschweren bis schweren TBI innerhalb der letzten 6 Monate und Alter abgestimmt Steuerelemente, die keine Geschichte der neurologische oder psychische Störungen haben.

Für die Zwecke dieser Demo testen ein Patienten, das dokumentiert ist, wie mit einem Verlust des Bewusstseins für mehr als 30 min oder eine Punktzahl von < 13 auf die Glasgow-Koma-Skala.

Am Tag ihrer Untersuchung grüßen sie und stellen Sie sicher, dass sie nicht unter Klaustrophobie leiden oder keine Metallteile in ihrem Körper haben; auch haben sie die erforderliche Zustimmung über die Risiken und Vorteile der Studie ausfüllen.

Nach der Erlangung der Zustimmung, Vorbereitung des Patienten, den Scan Raum einzugehen. Weitere detaillierte Informationen zu den Pre-Scan-Verfahren entnehmen Sie bitte ein weiteres MRT-Projekt in dieser Sammlung.

Langweilen Sie mit dem Patienten in den Scanner jetzt, sammeln Sie zuerst einen hochauflösenden anatomischen Scan. Dann initiieren eine Pulsfolge optimiert für DTI durch den Erwerb einer B₀ Bildes – eine, die nicht empfindlich auf Verbreitung Richtung — sowie mehrere diffusionsgewichtete Bilder in 64 verschiedene Richtungen.

Wenn die Sequenz abgeschlossen ist, begleiten Sie den Patienten aus dem Scanner und in einen experimentellen Raum mit einem Computer, die nächste Phase, eine Aufmerksamkeit Netzwerk Aufgabe durchzuführen.

Die Aufgabenanweisungen zu erklären: sie sehen eine Reihe von fünf Pfeile auf dem Bildschirm und sollten nur in der Mitte einer konzentrieren. Um schnelle und genaue Antworten zu gewährleisten, haben sie ihre Hände auf der Tastatur, mit der linken Index finger auf die Taste "F" und rechts auf "J" legen.

Während der Studien in der Mitte links Pfeil zeigt, weisen Sie sie, drücken Sie "F". Andernfalls drücken sie direkt gegenübersteht, 'J'.

Der Patient 100 Studien abzuschließen: Denken Sie daran, dass jede mit einer Fixierung Kreuz, bleibt auf dem Bildschirm für eine Variable Dauer von 400 bis 1600 ms beginnt, nach denen Pfeile angezeigt werden, und das wird entweder kongruent oder inkongruent.

Beachten Sie, dass die Pfeile auf dem Bildschirm, bis der Patient reagiert, oder für maximal 1700 ms bleiben, wenn sie entweder die Taste nicht. Beachten Sie, dass jeder Versuch endet mit einer Fixierung, das Kreuz bleibt auch sichtbar, eine Testversion Gesamtdauer von 4 s.

Am Ende des Vorgangs Aufmerksamkeit Nachbesprechung der Patient zum Abschluss der Studie, und für ihre Teilnahme zu kompensieren.

Nachdem der Scanner und Verhaltensdaten vorliegen, zunächst die rohen Verbreitung Dateien Tensor Bilder umgewandelt werden.

Um zu beginnen, Vorverarbeitung, durchführen Sie Entzerrung für Wirbelströme, die häufig, in den Rohdaten auftreten durch Veränderung des Magnetfeldes während der Akquisition.

Zum Ausgleich der Bewegung gelten Sie eine lineare Starrkörper affine Transformation, die einzelnen gerichtete Diffusion Bilder der B-₀ -Referenz registriert.

Darüber hinaus trennen Sie das Gehirn aus dem Schädel und andere nicht-neuronale Gewebe um sicherzustellen, dass Tensoren für Voxel außerhalb des Gehirns nicht berechnet werden.

Jetzt kombinieren alle 64 gerichtete Bilder um die Diffusion Tensor in jedem Voxel zu berechnen und die entsprechenden FA Ausgabewerte im Hintergrund.

Anschließend registrieren Sie die Diffusion-Bilder zu den hochauflösenden anatomischen Scan und dann auf einen standard Atlas Raum auf Konzernebene Analyse zu ermöglichen.

Mit Vorverarbeitung abgeschlossen, mit einer weißen Substanz Atlas drei ROIs bestimmt werden: die vorderen Corona Radiata, das Splenium des Corpus Callosum und der überlegenen longitudinal Fasciculus.

Schließlich registrieren Sie jedes Teilnehmers anatomische Bild zum standard Atlas und nutzen Sie diese, um die ROI-Masken in jeder Teilnehmer Gehirn Raum verziehen.

Um die Daten grafisch darstellen, vergleichen Sie die extrahierten FA-Werte von Gruppe, jeder ROI separat Plotten. Beachten Sie, dass FA-Werte in der TBI-Gruppe in allen drei ROIs, Angabe weit verbreitete weiße Substanz Schäden bei den Patienten deutlich niedriger waren.

Um die Verhaltensdaten enthalten, Plotten der unterschiedlichen Reaktionszeiten kongruente und inkongruente Prozesse gegen den FA-Werte für alle Fächer. Durchführen eine Korrelationsanalyse Pearson auf diese Gesamtergebnis wieder unabhängig für jede ROI.

Diesmal nur eine der Regionen – die vorderen Corona Radiata — zeigte eine signifikante Korrelation in die negative Richtung. Das heißt, waren hohe FA-Werte verbunden mit schnellen Reaktionszeiten, während niedrige Anisotropie zu längeren Antwortzeiten entsprach. Diese Ergebnisse deuten eine funktionelle Verbindung zwischen weißen Substanz und Aufmerksamkeitskontrolle verbinden.

Nun, da Sie mit Struktur und Funktion mit DTI und Aufmerksamkeitskontrolle Aufgabe beziehen vertraut sind, schauen Sie wie Forscher ähnliche Ansätze nutzen, um anderen Populationen zu studieren, mit kompromittierten Konnektivität oder als ein Weg, um es zu schützen.

Während normalen Alterungsprozess mit kognitiven Fähigkeiten verbunden ist, sind Änderungen nicht unbedingt weit verbreitet. Vielmehr erscheinen sie im Zusammenhang mit bestimmten Funktionen, die weiße Substanz Integrität entsprechen und FA-Werte, vor allem im präfrontalen Kortex reduziert. So könnte die Diffusionsbildgebung als Methode für die Früherkennung der altersbedingten Veränderungen in leitender Funktion verwendet werden.

Daten von DTI verwenden, können Forscher verwenden eine 3D Technik namens Faser Traktographie und weißen Substanz Traktate über das gesamte Gehirn zu rekonstruieren. Diese Modellierung-Verfahren eignet sich in vielen Bereichen, einschließlich der Neurochirurgie.

Wenn beispielsweise Chirurgen einen Tumor zu entfernen müssen, können sie planen genau, wo die weiße Angelegenheit Flächen sind in der Nähe kritischer Strukturen und nachteilige Folgen zu vermeiden.

Sie habe nur Jupiters Einführung Diffusion Tensor Imaging beobachtet. Jetzt haben Sie ein gutes Verständnis wie die Planung und Durchführung einer DTI-Experiments sowie analysieren und interpretieren bestimmte Verbreitung Muster mit kognitiven Auswirkungen im Zusammenhang mit traumatischen Hirnverletzungen.

Danke fürs Zuschauen!