Трактография - Tractography

Трактография
	Трактография человеческого мозга
Цель	используется для визуального представления нервных путей

В нейробиология, трактография это 3D моделирование техника, используемая для визуального представления нервные пути используя данные, собранные диффузная МРТ.^[1] Он использует специальные техники магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная диффузная МРТ. Результаты представлены в виде двух- и трехмерных изображений, называемых трактограммы.

В дополнение к длинным трактам, которые соединяют мозг остальной части тела есть сложные нейронные цепи образованный короткими связями между разными корковый и подкорковый регионы. Существование этих трактов и цепей было обнаружено гистохимия и биологический методы на вскрытие образцы. Нервные пути не идентифицируются при прямом осмотре. CT, или МРТ сканы. Эта трудность объясняет скудность их описания в нейроанатомия атласы и плохое понимание их функций.

Самый продвинутый алгоритм трактографии может дать 90% базовых пакетов истинных данных, но он по-прежнему содержит значительное количество неверных результатов.^[2]

Техника МРТ

ДТИ плечевого сплетения - см. https://doi.org/10.3389/fsurg.2020.00019 за дополнительной информацией

Трактографическая реконструкция нервных связей с помощью тензорной диффузной визуализации (DTI)

Файл: Ultra-High-Field-MRI-Post-Mortem-Structural-Connectivity-of-the-Human-Subthalamic-Nucleus-Video1.ogv

Воспроизвести медиа

МРТ трактография человека субталамическое ядро

Трактография выполняется с использованием данных из диффузная МРТ. Свободная диффузия воды называется "изотропный "диффузия. Если вода диффундирует в среде с барьерами, диффузия будет неравномерной, что называется анизотропный диффузия. В таком случае относительная подвижность молекулы от происхождения имеет форму, отличную от сфера. Эта форма часто моделируется как эллипсоид, и тогда техника называется диффузионная тензорная визуализация. Барьерами могут быть разные вещи: клеточные мембраны, аксоны, миелин и т. Д .; но в белое вещество главный барьер - это миелин оболочка из аксоны. 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. Условия, при которых миелин или структура аксона нарушена, например травма^[3], опухоли, и воспаление уменьшить анизотропию, так как преграды подвержены разрушению или дезорганизации.

Анизотропия измеряется несколькими способами. Один из способов - это соотношение, называемое фракционная анизотропия (FA). FA, равная 0, соответствует идеальной сфере, а 1 - идеальной линейной диффузии. В некоторых регионах показатель FA превышает 0,90. Число дает информацию о том, насколько асферично диффузия, 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 в Икс ось: справа налево или слева направо.
Зеленым обозначены направления в Y ось: задний к переднему или от передний к заднему.
Синий указывает направления в Z ось: в направлении от ступни к голове или наоборот.

Этот метод не позволяет различить «положительное» или «отрицательное» направление одной и той же оси.

Математика

С помощью диффузионно-тензорная МРТ, можно измерить кажущийся коэффициент диффузии на каждом воксель на изображении, а после полилинейная регрессия по нескольким изображениям можно восстановить весь тензор диффузии.^[1]

Предположим, что в образце есть интересующий волоконный тракт. После Формулы Френе – Серре, мы можем сформулировать пространственный путь волоконного тракта как параметризованную кривую:

{ displaystyle { frac {d mathbf {r} (s)} {ds}} = mathbf {T} (s),}

где ${ Displaystyle mathbf {T} (s)}$ - касательный вектор кривой. Восстановленный тензор диффузии ${ displaystyle D}$ можно рассматривать как матрицу, и мы можем легко вычислить ее собственные значения ${ displaystyle lambda _ {1}, lambda _ {2}, lambda _ {3}}$ и собственные векторы ${ displaystyle mathbf {u} _ {1}, mathbf {u} _ {2}, mathbf {u} _ {3}}$ . Приравнивая собственный вектор, соответствующий наибольшему собственному значению, с направлением кривой:

{ Displaystyle { гидроразрыва {d mathbf {r} (s)} {ds}} = mathbf {u} _ {1} ( mathbf {r} (s))}

мы можем решить для ${ displaystyle mathbf {r} (s)}$ учитывая данные для ${ displaystyle mathbf {u} _ {1} (s)}$ . Это можно сделать с помощью численного интегрирования, например, используя Рунге-Кутта, и путем интерполяции главного собственные векторы.

Смотрите также

использованная литература

^ ^а ^б Basser PJ, Pajevic S, Pierpaoli C., Duda J, Aldroubi A (октябрь 2000 г.). «Волоконно-трактография in vivo с использованием данных DT-MRI». Магнитный резонанс в медицине. 44 (4): 625–32. Дои:10.1002 / 1522-2594 (200010) 44: 4 <625 :: AID-MRM17> 3.0.CO; 2-O. PMID 11025519.
^ Майер-Хайн К. Х., Неер П. Ф., Хоуд Дж. К., Коте М. А., Гарифаллидис Е., Чжун Дж. И др. (Ноябрь 2017 г.). «Задача картирования коннектома человека на основе диффузной трактографии». Nature Communications. 8 (1): 1349. Дои:10.1038 / с41467-017-01285-х. ЧВК 5677006. PMID 29116093.
^ Уэйд, Ryckie G .; Таннер, Стивен Ф .; Тех, Ирвин; Риджуэй, Джон П .; Шелли, Дэвид; Чака, Брайан; Ренкин, Джеймс Дж .; Андерссон, Густав; Виберг, Микаэль; Бурк, Грейн (16 апреля 2020 г.). «Диффузионная тензорная визуализация для диагностики отрыва корня при травматических повреждениях плечевого сплетения у взрослых: исследование с подтверждением концепции». Границы хирургии. 7. Дои:10.3389 / fsurg.2020.00019.

[:0-1] а ^б Basser PJ, Pajevic S, Pierpaoli C., Duda J, Aldroubi A (октябрь 2000 г.). «Волоконно-трактография in vivo с использованием данных DT-MRI». Магнитный резонанс в медицине. 44 (4): 625–32. Дои:10.1002 / 1522-2594 (200010) 44: 4 <625 :: AID-MRM17> 3.0.CO; 2-O. PMID 11025519.

[ChallengeNatComm2017-2] Майер-Хайн К. Х., Неер П. Ф., Хоуд Дж. К., Коте М. А., Гарифаллидис Е., Чжун Дж. И др. (Ноябрь 2017 г.). «Задача картирования коннектома человека на основе диффузной трактографии». Nature Communications. 8 (1): 1349. Дои:10.1038 / с41467-017-01285-х. ЧВК 5677006. PMID 29116093.

[3] Уэйд, Ryckie G .; Таннер, Стивен Ф .; Тех, Ирвин; Риджуэй, Джон П .; Шелли, Дэвид; Чака, Брайан; Ренкин, Джеймс Дж .; Андерссон, Густав; Виберг, Микаэль; Бурк, Грейн (16 апреля 2020 г.). «Диффузионная тензорная визуализация для диагностики отрыва корня при травматических повреждениях плечевого сплетения у взрослых: исследование с подтверждением концепции». Границы хирургии. 7. Дои:10.3389 / fsurg.2020.00019.

[1]

[2]

[3]