Диффузионно-тензорная визуализация и трактография волокон

Диффузионно-тензорная визуализация (DTI) — это методика МРТ, использующая анизотропную диффузию для оценки аксональной организации (белого вещества) головного мозга.

Трактография (FT) — это методика 3D-реконструкции для оценки нервных проводящих путей с использованием данных, полученных при диффузионно-тензорной томографии.

Диффузионно-взвешенные изображения (DWI) основаны на измерении теплового броуновского движения молекул воды. В белом веществе головного мозга молекулы воды диффундируют более свободно вдоль направления аксональных пучков, а не поперек них. Такая пространственная зависимость диффузии называется анизотропией. Это направление максимальной диффузии вдоль волокон белого вещества отображается на конечном изображении.

Клиническое применение

Для многих диффузионно-тензорная томография является синонимом МРТ ЦНС. Однако все большую популярность приобретает ее использование для оценки высокоорганизованных систем организма за пределами ЦНС, где анизотропия может способствовать раннему выявлению патологии.

Области применения включают:

• оценка деформации белого вещества опухолями — смещение, инфильтрация, деструкция белого вещества

• оценка анатомических структур незрелого головного мозга

• предоперационное планирование

• болезнь Альцгеймера — выявление на ранней стадии

• шизофрения

• фокальная кортикальная дисплазия

• рассеянный склероз — оценка бляшек

• раннее выявление патологии опорно-двигательного аппарата и периферических нервов

Методы количественного анализа

• на основе области интереса (ROI)

• воксельный анализ (voxel-based)

• гистограммный анализ

• трактография / трекинг волокон 

Физические основы диффузионно-тензорной визуализации (DTI)

Некоторые термины:

• диффузионно-тензорная визуализация (DTI) обеспечивает количественный анализ величины и направленности диффузии молекул воды

• термин «тензор» указывает на использование матрицы 3x3, составляющими которой являются собственные значения и собственные векторы

• двумя основными параметрами, рассчитываемыми на основе данных DTI, являются средняя диффузионная способность (MD), также называемая измеряемым коэффициентом диффузии (ADC), и фракционная анизотропия (FA)

• FA отражает направленность перемещения молекул при диффузии и варьирует от 0 (изотропная диффузия) до 1 (абсолютная анизотропная диффузия). Значение FA для ЦСЖ равно 0

• MD отражает среднюю величину перемещения молекул при диффузии. Чем выше значение MD, тем более изотропна среда

• AD — аксиальная диффузионная способность, представляет собой самый длинный собственный вектор

• RD — радиальная диффузионная способность, представляет собой среднее значение двух более коротких собственных векторов

• Сбор данных DTI выполняется с помощью SE-EPI с применением диффузионных градиентов в нескольких направлениях (SE-EPI = спин-эхо эхо-планарная томография с использованием пар импульсов 90–180 градусов, обеспечивающая T2-взвешенность)

Цветовое кодирование

При визуализации методом трактографии общепринято следующее цветовое кодирование:

• красный: поперечные волокна

• зелёный: переднезадние волокна

• синий: краниокаудальные волокна

Волокна с косой ориентацией отображаются цветами, получаемыми в результате комбинации трёх основных цветов:

• красный + синий = пурпурный

• зелёный + красный = жёлтый

• зелёный + синий = голубой

Ограничения трактографии волокон

Принцип работы трактографических алгоритмов основан на предположении, что в каждом вокселе направление главного собственного вектора совпадает со средним направлением одного пучка волокон. Следовательно, данный подход приводит к корректному результату только в том случае, если область интереса однородна, а вариации направления пучков сопоставимы с размером вокселя. Из этого следует, что там, где сосуществуют несколько пучков волокон или где они перекрещиваются, сближаются, сходятся или расходятся, алгоритм работает неудовлетворительно. В клинической практике эти ограничения могут приводить к построению несуществующих путей (ложноположительные результаты) или к невозможности адекватно проследить существующие пути (ложноотрицательные результаты); поэтому интерпретация трактографических реконструкций требует опыта и специальных знаний.

К другим ограничениям относятся неспособность алгоритма различать направление проводящего пути (отличать афферентные проекции от эфферентных), определять его функцию и выявлять наличие синапсов по ходу одного и того же нервного пути.