Multi-tensorové zobrazování detailu míchy z dMRI dat s vysokým úhlovým rozlišením
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
B
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Cílem této diplomové práce bylo vytvořit ucelený proces zpracování unikátních HARDI dMRI dat cervikálního míšního kanálu společně s T2-váženými anatomickými snímky ve vysokém rozlišení. V rešerši je věnována pozornost zpracování anatomických dat, teorii dMRI, popisu existujících metod odhadu 3D profilu anizotropní difuze, dále také dosavadním přístupům a metodám v zobrazování axonálních svazků míšního kanálu. Celosvětově se jako jedna z prvních prací zabýváme více-směrovými difuzními modely pro in-vivo zobrazení minoritních svazků vláken bílé hmoty. Za pomoci softwarových knihoven Spinal Cord Toolbox (SCT), FSL, vlastních skriptů a dávkového systému TORQUE pro gridové výpočty byl navrhnut vlastní proces zpracování dat, který byl testován na reálných datech z oblasti míšního kanálu mezi segmenty C4-C6 u 26 zdravých subjektů. Navržená procedura zpracování s jedním neautomatickým krokem funguje pro 25 osob od předzpracování dat až po parcelace dílčích míšních struktur na základě koregistrace s anatomickým templátem míchy. Data jedné osoby byla zkreslena pohybovými artefakty, díky kterým proces selhal. U části snímků je v sagitálních řezech pozorovatelné zvlnění snímků, způsobené pravděpodobně pulzací cév vedoucích podél míšního kanálu. Z dMRI dat byly odvozeny lokální kvantifikační metriky anatomie míchy (frakční anizotropie - FA, fraktální objem prvního - f1 a druhého f2 směru anizotropní složky difuze) z různých oblastí (bílá hmota, šedá hmota, kortiko-spinální trakt) a z různých populačních skupin (muži versus ženy). Podle očekávání nacházíme ve výsledcích útlum FA hodnot v oblasti šedé hmoty. Detekujeme druhé směry difuzí v řezech, kde vystupují kořeny míchy. V některých oblastech fraktální objem druhého směru anizotropní difuze dosahuje hodnot až 40% celkové složky intenzity dMRI signálu. Hustoty pravděpodobností všech zmíněných parametrů pro všechny zmíněné skupiny patří mezi nenormální rozložení. Nebyl pozorován závratně signifikantní rozdíl v rozloženích f1 a f2 objemů mezi muži a ženami. Rozložení FA hodnot mezi muži a ženami vyšlo statisticky jako odlišné. Bohužel je ve výsledcích pozorována poměrně značná inter-subjekt variabilita, která má výrazně vyšší rozptyl než rozdíly mezi různými skupinovými distribucemi. I přes výraznou inter-subjekt variabilitu tato práce významně rozšiřuje znalosti o možnostech náběru a zpracování MRI a dMRI dat z míšního kanálu a pokládá základ pro použití dané zobrazovací metody v budoucím možném a plánovaném klinickém výzkumu, kde nově bude možné separátně testovat alteraci anatomie míchy i na sekundárních minoritních svazcích.
The aim of this work was to establish a comprehensive processing pipeline of cervical spinal cord HARDI dMRI data and T2-weighted anatomical MRI images in high-resolution. In the research part we provide description of anatomical data processing, theoretical background of dMRI, description of current approaches to 3D anisotropic diffusion estimation as well as current imaging methods of spinal cord axonal bundles. As one of the first in the world, we are investigating multiple-direction diffusion models for human in-vivo spinal cord white matter minority bundles imaging. We designed our own processing pipeline utilizing Spinal Cord Toolbox (SCT), FSL, in-house developer scripts and TORQUE-based batch system for grid computation, tested on real data from cervical spinal cord area between segments C4-C6 from 26 healthy volunteers. Designed processing pipeline with one non-automatic step, works from pre-processing to parcelation of selected spinal cord structures based on co-registration with anatomical spinal cord template for 25 subjects. One person data includes motion artifacts for which the proces failed. There are visible waves in sagittal images of some subjects caused probably by blood-vessel pulsing. Local quantification metrics of spinal cord anatomy (fractional anisotropy – FA, fractional volumes of first – f1 and second – f2 direction of anisotropic diffusion) from different parts (white matter, gray matter, cortico-spinal tract) and from different population groups (men vs. women), were extracted from dMRI data. As we expected, FA maps show visible decreases in areas of gray matter. We also detected second diffusion dirrection in slices, where the spinal roots come out. In some areas, fractional volume of second diffusion direction reaches up to 40% of the total component of the dMRI signal. All mentioned parameters probability density functions for all mentioned groups are non-normal distributions. Between male and female groups there were no significant distribution differences for f1 and f2 volumes. The distribution of FA values between men and women is statistically different. Unfortunatelly, there is a significant inter-subject variability in results, which has much higher dispersion than differences between different group distributions. Despite the inter-subject variability, this work significantly extends the knowledge about data acquisiton capabilities and MRI and dMRI data from cervical spinal cord image processing. This work also lays down foundations for utilization of the imaging method in future and planned clinical research, where it will be possible to test the alteration of the spinal cord anatomy on the minor secondary bundles separately.
The aim of this work was to establish a comprehensive processing pipeline of cervical spinal cord HARDI dMRI data and T2-weighted anatomical MRI images in high-resolution. In the research part we provide description of anatomical data processing, theoretical background of dMRI, description of current approaches to 3D anisotropic diffusion estimation as well as current imaging methods of spinal cord axonal bundles. As one of the first in the world, we are investigating multiple-direction diffusion models for human in-vivo spinal cord white matter minority bundles imaging. We designed our own processing pipeline utilizing Spinal Cord Toolbox (SCT), FSL, in-house developer scripts and TORQUE-based batch system for grid computation, tested on real data from cervical spinal cord area between segments C4-C6 from 26 healthy volunteers. Designed processing pipeline with one non-automatic step, works from pre-processing to parcelation of selected spinal cord structures based on co-registration with anatomical spinal cord template for 25 subjects. One person data includes motion artifacts for which the proces failed. There are visible waves in sagittal images of some subjects caused probably by blood-vessel pulsing. Local quantification metrics of spinal cord anatomy (fractional anisotropy – FA, fractional volumes of first – f1 and second – f2 direction of anisotropic diffusion) from different parts (white matter, gray matter, cortico-spinal tract) and from different population groups (men vs. women), were extracted from dMRI data. As we expected, FA maps show visible decreases in areas of gray matter. We also detected second diffusion dirrection in slices, where the spinal roots come out. In some areas, fractional volume of second diffusion direction reaches up to 40% of the total component of the dMRI signal. All mentioned parameters probability density functions for all mentioned groups are non-normal distributions. Between male and female groups there were no significant distribution differences for f1 and f2 volumes. The distribution of FA values between men and women is statistically different. Unfortunatelly, there is a significant inter-subject variability in results, which has much higher dispersion than differences between different group distributions. Despite the inter-subject variability, this work significantly extends the knowledge about data acquisiton capabilities and MRI and dMRI data from cervical spinal cord image processing. This work also lays down foundations for utilization of the imaging method in future and planned clinical research, where it will be possible to test the alteration of the spinal cord anatomy on the minor secondary bundles separately.
Description
Keywords
MRI, dMRI, difuzní MRI, HARDI, Spinal Cord Toolbox, FSL, mícha, segmentace, anizotropní difuze, difuzní tenzorové zobrazování, DTI, Ball and stick model, MRI, dMRI, diffusion MRI, HARDI, Spinal Cord Toolbox, FSL, spinal cord, segmentation, anisotropic diffusion, diffusion tensor imaging, DTI, Ball and stick model
Citation
ZIMOLKA, J. Multi-tensorové zobrazování detailu míchy z dMRI dat s vysokým úhlovým rozlišením [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2017.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Biomedicínské inženýrství a bioinformatika
Comittee
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D. (předseda)
doc. Mgr. Ctirad Hofr, Ph.D. (místopředseda)
doc. RNDr. Martin Kovár, Ph.D. (člen)
Ing. Marina Ronzhina, Ph.D. (člen)
Ing. Denisa Maděránková, Ph.D. (člen)
Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2017-06-06
Defence
Studentk prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky.
Doc. Kolář položil otázku: Jaké metody byly použity pro segmentaci a lícování?
Ing. Maděránková položila otázku: Proč bylo využito zrovna 63 směrů difuze?
Doc. Kolář položil otázku: Jakým způsobem byl zvolen analytický model?
Ing. Ronzhina položila otázku: Je možné kvantifikovat úspěšnost segmentace?
Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení