Что такое фракционная анизотропия при мрт
Диффузно-тензорная томография головного мозга — принципы, возможности
Основные понятия:
• Диффузно-тензорная томография — это методика, разработанная в середине 1990-х годов, при которой МРТ используют для измерения коэффициентов диффузии молекул воды в нескольких (более 6) направлениях. Эта методика характеризуется диффузной анизотропностью.
• Изотропная жидкость характеризуется равномерной диффузией со всех сторон (например, при попадании в воду капля молока распространяется равномерно). Изотропность—равномерность во всех направлениях; моделью изотропности может служить шар.
• Анизотропная («неизотропная») жидкость распространяется преимущественно вдоль какой-либо оси; моделью анизотропности может служить эллипсоид.
• Тензор описывает форму эллипсоида. Диффузионные тензоры являются тензорами второго ранга [особые виды тензоров: скалярные (нулевого ранга или одноразрядные) и векторные (первого разряда или (1хn)-матричные)]. Тензор можно привести к компонентам осей (собственным значениям), которые называют лямбда 1,2,3, они описывают удельный показатель диффузии по длине, объему и ширине эллипсоида (собственные векторы).
Детерминированная трактография всего мозга с использованием программного обеспечения ExploreDTI.
Для получения изображения использовано объединение диффузно-тензорных и трактографических изображений, на которых зеленым цветом показаны структуры, ориентированные спереди назад, синим—сверху вниз, красным—справа налево.
ВНМ—верхняя ножка мозжечка.
Фракционная анизотропия описывает в качестве фракций взаимосвязь между лямбдой 1, 2, 3. Таким образом, величина фракционной анизотропии варьирует от 0 до 1. Диффузия воды в клетках белого вещества нервной системы ограничена клеточными мембранами.
Диффузия воды внеклеточного пространства, циркулирующей в желудочках и субарахноидальном пространстве, а также воды серого вещества характеризуется большей изотропностью. Межклеточная жидкость миелинизированных нервных волокон диффундирует параллельно продольной оси волокон. Чем выше фракционная анизотропия, чем больше плотность и гомогенность пучка волокон.
Этот факт применяют для сравнения целостности соответствующих миелинизированных проводящих путей головного и спинного мозга справа и слева. Совместное использование трактографии и цветового кодирования позволяет воссоздавать трехмерные траектории белого вещества, чтобы показать их направление. Алгоритм реконструкции основан на информации об ориентации нервных волокон, полученной при помощи диффузно-тензорной томографии.
Ограниченная сферическая деконволюция (ОСД) — более прогрессивный метод, снимающий ограничения тензорной модели (суммирует информацию в одно главное направление, как в основе трактографии) и позволяющий создать более точное изображение. ОСД использует информацию из множества направлений для каждого элемента трехмерного изображения, что снимает затруднения трактографии, возникающие при исследовании мест перекреста нервных волокон.
Фракционная анизотропия показана в трех плоскостях.
Цветовые обозначения аналогичны обозначениям на рисунке выше.
МТ — мозолистое тело, СНМ — средняя ножка мозжечка, ПВВМ — поперечные волокна варолиева моста.
— Также рекомендуем «Топография и характеристика ствола мозга»
Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 9.11.2018
— [ Страница 2 ] —
— пострегистрационную обработку – приведение данных каждого «объекта» (участника) группы к единому стандартизированному пространству (с использованием атласа Талайраха или MNI 152) и конвертацией их в изображения с объемным разрешением 1х1х1 мм. Это производилось для возможности выполнения группового статистического анализа.
Затем зарегистрированные, приведенные к единому стандартизированному пространству изображения всех «объектов» записывались в один файл-образ с усреднением фракционной анизотропии по каждому из них. Далее выполнялся повоксельный анализ для определения, в каких вокселях имелось статистически значимое различие между двумя группами. Результаты получали в виде изображения скелета фракционной анизотропии, на котором участки трактов со статистически значимым снижением (р<0,05) фракционной анизотропии картировались определенным цветом.
Таким образом, методика статистической обработки данных с использованием FSL является наиболее оптимальной за счет возможности группового анализа «сырых» данных диффузионного тензора, практически без участия оператора, с оценкой информации о фракционной анизотропии в структуре всего головного мозга каждого пациента и получением точных количественных и удобных для интерпретации визуальных результатов.
Результаты комплексного МР-исследования с применением методики диффузионной тензорной МРТ у пациентов с рассеянным склерозом
Всего были обследованы 62 больных рассеянным склерозом (в т.ч. 21 в активной фазе), в возрасте 33±9 лет.
С помощью программного пакета FSL в общей группе пациентов было выявлено статистически значимое (p<0,05) снижение фракционной анизотропии в следующих зонах: переднее бедро внутренней капсулы, нижний продольный пучок, заднее бедро внутренней капсулы, колено внутренней капсулы, колено мозолистого тела, белое вещество лобных долей, белое вещество полуовального центра, мозолистое тело.
Для получения количественных показателей было проведено измерение значений коэффициента фракционной анизотропии у каждого пациента и лиц группы контроля (норма) в указанных зонах. Усредненные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
| Зона интереса | Значение коэффициента фракционной анизотропии | Значение коэффициента фракционной анизотропии (группа контроля) |
| Очаг рассеянного склероза | 0,160±0,099 | — |
| Контрольная зона | 0,267±0,073 | — |
| Колено внутренней капсулы | 0,569±0,036 | 0,684±0,025 |
| Корпус мозолистого тела | 0,536±0,053 | 0,788±0,021* |
| Шейка мозолистого тела | 0,664±0,032 | 0,812±0,023 |
| Полуовальный центр | 0,352±0,040 | 0,476±0,052* |
| Белое вещество лобных долей | 0,360±0,066 | 0,478±0,070 |
| Белое вещество височных долей | 0,468±0,067 | 0,515±0,053 |
| Наружная капсула | 0,388±0,053 | 0,451±0,038 |
| Нижний продольный пучок | 0,471±0,077 | 0,502±0,038 |
При проведении корреляционного анализа между показателями шкалы EDSS и коэффициента фракционной анизотропии, нами было установлено, что максимальное снижение коэффициента фракционной анизотропии в корпусе мозолистого тела (0,536±0,053) и полуовальном центре (0,352±0,040) соответствовало более тяжелому состоянию по данным оценки функциональных систем, характеризуемых количеством баллов (EDSS – 3,9±0,4 и 4,3±0,6 соответственно) (p<0,05)*.
Коэффициент фракционной анизотропии во всех очагах рассеянного склероза снижен приблизительно в 2 раза, по сравнению с коэффициентом фракционной анизотропии в «контрольной» зоне (симметричной зоне противоположного полушария), что обусловлено демиелинизирующим процессом в них. При этом разница между значениями коэффициента фракционной анизотропии в «активных» и «неактивных» очагах составила приблизительно 20% (больше в «неактивных»). Коэффициент фракционной анизотропии в очагах с «диффузным» типом накопления контраста оказался выше, чем в очагах, с «кольцевидным» типом, что вероятно обусловлено большей сохранностью миелиновой оболочки в очагах с «диффузным» типом накопления, таблица 2.
Таблица 2
Значения коэффициента фракционной анизотропии в очагах рассеянного склероза разного типа
| Зона интереса | Тип накопления | КФА |
| Зона контроля | — | 0,310±0,026* |
| «Неактивный» очаг | — | 0,165±0,016 |
| «Активный» очаг | диффузный | 0,137±0,020 |
| «Активный» очаг | кольцевидный | 0,087±0,006 |
*- контрольная зона выбиралась симметрично в противоположном полушарии, при отсутствии там патологических изменений белого вещества.
Следовательно, коэффициент фракционной анизотропии различается в разных типах очагов рассеянного склероза, что свидетельствует о различном состоянии (и сохранности) аксонов нервных клеток, проходящих через тот или иной очаг.
Следовательно, можно говорить о наличии патологических микроструктурных изменений проводящих путей головного мозга, расположенных вне очаговых поражений. Наиболее чувствительной импульсной последовательностью для выявления таких изменений является импульсная последовательность диффузионной тензорной визуализации (DTI – diffusion tensor imaging).
Анализ фракционной анизотропии с применением программного пакета функциональной статистической обработки данных (FSL) у пациентов (16) с рассеянным склерозом в динамике (с интервалом 1,5 года) показал статистически значимое (p<0,05) снижение коэффициента фракционной анизотропии у одних и тех же пациентов в различных зонах интереса во второй временной точке (Рис. 1). Установлено снижение коэффициента фракционной анизотропии в колене мозолистого тела и в белом веществе лобных долей. Это соответствовало ухудшению состояния пациентов. С учетом трех клинических случаев, когда (при ретроспективном анализе) мы наблюдали снижение коэффициента фракционной анизотропии в первой и второй временных точках, конкретно в тех участках, где в третьей временной точке появился «новый» очаг рассеянного склероза, и был сделан вывод, что признаки очаговой демиелинизации могут быть определены с применением импульсной последовательности DTI раньше, чем с применением традиционных импульсных последовательностей.
а б в
Рис. 1. Иллюстрация результатов статистической обработки данных с помощью FSL – снижение фракционной анизотропии у больных рассеянным склерозом в белом веществе лобных долей (выделено черным цветом, стрелка), р<0,005 (а – аксиальная плоскость) и колене мозолистого тела (б – аксиальная плоскость, в – корональная плоскость).
Обобщая результаты исследования всех 62 пациентов с рассеянным склерозом, полученные по данным сканирования с использованием традиционных ИП, можно сделать вывод о том, что визуализация проявлений демиелинизирующего заболевания эффективна с точки зрения определения количества очагов рассеянного склероза и их пространственной диссеминации. Однако при проведении корелляционного анализа нами установлено, что четкой связи между этими показателями и типом течения и стадией (активная, неактивная) заболевания нет. Установлено, что активность процесса характеризуется накоплением контрастного вещества «активными» очагами при его введении. Однако, не у всех пациентов это индицирует обострение заболевания. Нередко накопление контрастного вещества в очагах демиелинизации происходит после клинического регресса обострения и сохраняется в фазе ремиссии. В нашем исследовании лишь у 6 из 14 обследованных пациентов в стадии обострения (по клиническим данным) выявлено накопление контрастного вещества. При использовании методики диффузионной тензорной МРТ было установлено, что снижение коэффициента фракционной анизотропии характерно не только для участков демиелинизации, но также и для неизмененного белого вещества. Снижение коэффициента фракционной анизотропии в некоторых зонах головного мозга имеет определенную связь с состоянием функциональных систем организма, и, соответственно, показателями по шкале оценки степени инвалидизации (EDSS). Анализ данных, полученных при обследовании пациентов с заболеванием в активной стадии показал, что при накоплении контрастного вещества очагом рассеянного склероза по сплошному типу в нем имеется снижение коэффициента фракционной анизотропии, однако оно значительно меньше, чем в центре очага, накапливающего контраст по периферии, что свидетельствует о наличии сохранных проводящих путей в таком очаге (p<0,005).
Результаты комплексного МР-исследования с применением методики диффузионной тензорной МРТ у пациентов с эпилепсией
При выполнении МРТ больным эпилепсией с использованием стандартных импульсных последовательностей характерной МР-семиотики выявлено не было. При сравнительном анализе группы пациентов (18 больных) с группой контроля (29 человек) с использованием «полуавтоматического» метода обработки данных FSL, было выявлено статистически значимое (p<0,04) снижение фракционной анизотропии в следующих зонах: белое вещество височных и лобных долей, нижний и верхний продольные пучки, верхний продольный пучок, передняя таламическая лучистость (Рис. 2).
а б
в г
Рис. 2. Иллюстрация результатов статистической обработки данных: снижение фракционной анизотропии у пациентов с эпилепсией в белом веществе левой височной доли (а; выделено черным цветом, стрелка), лобных долей (б – сагиттальная плоскость, в – корональная плоскость), в проекции верхнего продольного пучка (стрелка, г).
Также различия показателей фракционной анизотропии у пациентов с левосторонней височной эпилепсией и контрольной группой были обнаружены в проекции зрительной лучистости, верхнего продольного пучка, свода и передней таламической лучистости (p<0,05).
Была выявлена асимметрия коэффициента фракционной анизотропии в базальных ядрах (таламус, головки хвостатых ядер). У пациентов с правосторонней височной эпилепсией наблюдалось снижение фракционной анизотропии в левом таламусе (p<0,05), тогда как у пациентов с левосторонней височной эпилепсией подобные изменения отмечались в таламусе и головке хвостатого ядра справа (p<0,005).
Таким образом, соответствие снижения коэффициента фракционной анизотропии в некоторых структурах левого полушария головного мозга (более выраженное в левой височной доле) показателям ЭЭГ имело место у пациентов с левосторонней височной эпилепсией. Причем, других изменений в зонах эпилептогенной активности у них по данным традиционной МРТ выявлено не было.
Обобщая информацию, полученную в ходе анализа данных пациентов с эпилепсией, можно выделить положительную корреляционную связь между снижением фракционной анизотропии и локализацией очагов эпилептогенной активности. То есть, можно предположить наличие микроструктурных изменений в белом веществе височных, лобных долей, базальных ядер, и в некоторых других подкорковых структурах, которые в силу своей несостоятельности могут являться причиной формирования эпилептической активности.
Результаты комплексного МР-исследования с применением методики диффузионной тензорной МРТ у пациентов с болезнью Альцгеймера и болезнью Паркинсона
При проведении МРТ с применением стандартных импульсных последовательностей МР-признаков, специфичных для болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона, выявлено не было. Для определения различий между подгруппами пациентов (болезнь Паркинсона) с когнитивными нарушениями и без когнитивных нарушений был проведен сравнительный анализ с применением программного пакета статистической обработки данных FSL. Выявлены различия в виде снижения фракционной анизотропии в белом веществе лобных долей, в проекции мозолистого тела, а также базальных ядер (таламус, черная субстанция). При измерении коэффициента фракционной анизотропии в указанных зонах у пациентов с когнитивными нарушениями снижение его выражено больше, чем у таковых без нарушения когнитивных функций.
Наиболее выраженные изменения белого вещества на микроструктурном уровне имелись у пациентов с когнитивными расстройствами. При этом они соответствовали более старшему возрасту, большей длительности течения заболевания и большей степени тяжести по шкале Хен и Яра. Также при оценке немоторных нарушений у этих пациентов были выявлены худшие результаты по шкале MMSE (p<0,05) и батарее лобной дисфункции (p<0,001) (Рис. 3).
Рис. 3. Иллюстрация корреляционной связи между степенью снижения коэффициента фракционной анизотропии (относительные единицы) и стадией заболевания по Хен и Яру, тяжестью немоторных и эмоциональных нарушений, оцененными с помощью шкал (MMSE, FAB, Маттиса). По оси X степень неврологического дефицита, выраженная в оценке по шкале FAB. По оси Y величины показателей фракционной анизотропии (квадрат) и оценок по шкале MMSE (ромб). Прослеживается близкая к прямопропорциональной зависимость между степенью выраженности клинических проявлений и показателя фракционной анизотропии. Таким образом, можно говорить о наличии положительной корреляционной связи между выраженностью снижения коэффициента фракционной анизотропии и клиническими проявлениями заболевания – в частности, возрастом и наличием когнитивных расстройств.
Фракционные анизотропии (ФА) является скалярным значением между нулем и единицей , которая описывает степень анизотропии в виде диффузионного процесса. Нулевое значение означает , что диффузия является изотропной, то есть он является неограниченным (или в равной степени ограниченно) во всех направлениях. Значение одного означает , что диффузия происходит только вдоль одной оси и полностью ограничена вдоль всех других направлений. FA является мерой часто используется в диффузионной томографии , где , как полагают, отражают плотность волокон , аксонов диаметр, и миелинизации в белом веществе . FA является продолжением концепции эксцентриситета конических сечений в 3 -х измерениях, нормированы на единицу диапазона.
Определение
Диффузионная Эллипсоид полностью представлена Diffusion Tensor, Д. Ф. вычисляются из собственных значений ( ) диффузионного тензора . Собственные векторы дают направления , в которых эллипсоид имеет главные оси, а соответствующие собственные значения дают величину пика в этом направлении.
Диффузия Тензорная Схематическое
с того среднее значение собственных значений.
Эквивалентная формула для ФА
который далее эквивалентно:
где К «нормализованы» тензор диффузии:
Обратите внимание , что , если все собственные значения равны, что происходит из- за изотропной (сферическую) диффузию, как в свободной воде, ФА 0 . FA может достигать максимальное значение 1 (это редко бывает в реальных данных), в этом случае D имеет только один ненулевое собственное значение и эллипсоид сводится к одной линии в направлении этого собственного вектора. Это означает , что диффузия ограничивается этим направлением в одиночку.
подробности
Это может быть визуализированы с эллипсоида, который определяется с помощью собственных векторов и собственных значений D. The FA сферы равна , так как диффузия является изотропным, и существует вероятность равна диффузии во всех направлениях. Собственные векторы и собственные значения тензора диффузии дают полное представление процесса диффузии. FA квантифицирует сосредоточенности эллипсоида, но не дает информации о том, в каком направлении он указывает на.
Обратите внимание , что ФА большинства жидкостей, включая воду, является 0 , если процесс диффузии не будучи ограничен структурами , такие , как сеть волокон. Измеренное ФА может зависеть от эффективной длиной шкалы измерения диффузии. Если процесс диффузии не ограничен по шкале измеряемых (ограничения слишком далеко друг от друга) или ограничений переключения направления в меньшем масштабе , чем измеренный, то измеренное ФА будет ослаблено. Например, мозг можно рассматривать как жидкость , пронизанной многих волокон (аксонов). Однако, в большинстве частей волокон идут во всех направлениях, и , таким образом , хотя они и ограничивают распространение ФА является 0 . В некоторых регионах, таких как мозолистого волокна выровнены по достаточно больших масштабах (порядка миллиметра) для направления их в основном совпадают в разрешении элемента магнитного резонанса изображения , и именно эти регионы , которые выделяются в FA изображения. Жидкие кристаллы также могут обладать анизотропной диффузии , так как игла или пластинчатые формы их молекул , как они влияют скользить друг над другом. Когда ФА 0 тензор характер D часто игнорируется, и это называется константой диффузии.
FA значение 0.9209, матрица DT диагонально ([27 2 2])
FA значение 0, то матрица DT диагонально ([8 8 8])
FA значение 0.6030, матрица DT диагонально ([14 14 2])
Недостаток модели Диффузии тензорной является то , что она может объяснить лишь гауссовые процессы диффузии, которые были признаны неадекватными в точно представляющих истинный процессе диффузии в человеческом мозге. В связи с этим, модель более высокий порядок с использованием сферических гармоник и функции ориентации распределения (ODF), была использована для определения новой и богаче оценки анизотропии, которая называется обобщенная Дробная Анизотропия. GFA вычисления используют образцы ODF для оценки анизотропии диффузии. Они также могут быть легко вычислены с помощью коэффициентов сферической гармоники модели ODF.