IMAGISTICA PRIN TENSORUL DE DIFUZIE

Diffusion tensor imaging (DTI) este o tehnica de imagistica a sistemului nervos ce permite reprezentarea tracturilor nervoase folosind cuantificarea difuziei apei (miscarea moleculelor de apa) in tesutul cerebral. Masurand proprietatile de difuzie ale apei intr-un anumit tesut, se poate descrie spatial mediul studiat.Tehnica de tractografie foloseste datele DTI si reconstruieste tracturile de substanta alba nervoasa aducand un aport semnificativ la cunoasterea configuratiei in vivo a substantei albe. Folosind algoritmuri sofisticate si software specializat, DTI si tractografia evidentiaza modificarile patologice ale sistemului nervos.Difuzia poate fi izotropica (la fel in toate directiile spatiului), cand mediul nu restrictioneaza miscarea moleculelor, sau anizotropica (inegala pe toate directiile), asa cum se intampla la nivelul substantei albe cerebrale. Difuzia anizotropica in substanta alba se explica prin organizarea specifica a acestui tesut in tracturi (manunchiuri de fibre axonale) mai mult sau mai putin mielinizate, ce au traiecte paralele. Difuzia in directia fibrelor este de cateva ori mai rapida decat in directia perpendiculara. Anizotropia a putut fi exploatata pentru a crea o harta a orientarii in spatiu a tracturilor de substanta alba la nivel cerebral, considerand ca directia cu cea mai mare difuzie este directia generala de orientare a fibrelor. Pentru doua tracturi de marimi si densitati axonale egale, unul mielinizat si celalalt nemielinizat, s-a observat ca mielina va creste anizotropia. In interiorul axonului exista un citoschelet complex si dens, compus din neurofibrile orientate longitudinal, alcatuite din microtubuli (implicati si in transportul axonal rapid) si neurofilamente. Deoarece neurofibrilele numeroase reprezinta suficiente bariere fizice pentru a obstructiona difuzia apei pe directie perpendiculara intr-un grad mai mare decat pe directie paralela, aceste structuri ar putea explica difuzia anizotropica.Tractografia (reconstructia fibrelor nervoase cu ajutorul unor soft-uri speciale ce folosesc imaginile de difuzie) reprezinta o metoda non-invaziva de studiere in vivo a arhitecturii substantei albe cerebrale.Tracturile de substanta alba pot fi investigate nu numai prin simpla observatie, ci si prin analizarea coeficientilor de difuzie ai apei, magnitudinea anizotropiei si parametriui fibrelor. Interesul pentru reprezentarea tracturilor nervoase exista de mult timp, iar metoda DTI a permis modelarea acestora in vivo, la pacienti. Fiecare voxel din DTI contine informatia ce reflecta directia si magnitudinea difuziei apei in tesutul studiat. Tractografia foloseste algoritmi pentru a determina daca vectorul de difuzie efectiva dintr-un voxel este conectat cu voxelul vecin. Se construiesc apoi reprezentari vizuale ale fibrelor ce trec prin voxeli vecini. Rezultatul final produce imagini ce corespund cu anatomia respectivei zone.In msurtori tipice DTI, dimensiunile unui voxel sunt de ordinul a 1-5 mm i DTI msoar proprietile de difuzie medie ale moleculelor de ap n interiorul acestuia.Acesta dimensiune a voxelului este, de obicei suficient de mica pentru a distinge substanta alba i substanta cenuie.Substana alb este format din tracturi care sunt orientate de-a lungul unor direcii variate i sunt suficient de mari pentru a le discerne vizual.Tracturile de substan alb, constau dintr-un numar mare de axoni.

Presupunnd c axa principal a tensorului de difuzie se aliniaz cu orientarea predominanta a fibrelor ntr-un voxel, noi putem obine cmpuri vectoriale 2D sau 3D care reprezint orientarea fibrelor la fiecare voxel.In present, exista mai multe abordari diferite pentru a reconstrui tracturile materiei albe, acestea fiind impartite in doua tipuri.

Cel mai intuitiv mod de a reconstrui o traiectorie 3D dintr-un domeniu vectorial 3D este de propaga o linie de la un punct central urmnd orientarea vectorului local.Cu toate acestea, n cazul n care o linie este propagat pur i simplu intre pixeli, care sunt entiti distincte, informaiile vectoriala coninuta n fiecare pixel poate s nu fie reflect pe deplin n propagare. Astfel, se poate face o conversie de la domeniul discret la domeniul continuu.Abordarea liniara simpla poate fi modificata pentru a crea o cale neted (curbat), care ar trebui s fie mai precisa atunci cnd curbura a unei linii reconstruite este abrupta n raport cu rezolutia imagistica. De aceasta data, linia de propagare este mica, mrimea pasului fiind predefinit. Ori de cte ori se mut la noi coordonate, se calculeaza distanta medie dintre cei doi vectori. n acest exemplu mai simplu, media dintre doi pixeli mai apropiati de noile coordonate a fost folosita pentru a desena o linie dreapta ntre pixeli. Alegerea ntre utilizarea unei abordari simplu continue sau o tehnica de interpolare depinde de gradul de curbur a tractului de interes raportat larezoluia imagistica.Dac rezoluia este sczut tehnicile de interpolare ar trebui s ofere un avantaj n precizie.Pe de alt parte, dac rezoluia este suficient de mare, o abordare simpla continua ofer calcul rapid.

Cmpul vectorial 3D obinut din DTI conine zgomot i, n consecin, direcia vectorului calculat se poate abate de la orientarea fibrei real. Unul dintre dezavantajele metodelor de propagare a linie este c erorile de zgomot se acumuleaz astfel ca propagarea devine mai lung.Amploarea acestor erori n funcie de raportul semnal-zgomot (SNR) a fost evaluat pentru modele de interpolare si modele liniare. Rezultatele arat o dependen intre forma traiectoriei, anizotropie, rezoluia i metoda de interpolare folosit. Efectul zgomotului poate fi redus cu ajutorul tehnicilor de uniformizare sau de interpolare, care mediaza informatia vectoriala sau tensoriala ntre pixeli vecini cu un cost n reducerea rezoluie efectiv.

Tracturile substanei albe au adesea ramificari extinse, ceea ce face urmrirea computationala complexa. Din punct de vedere al programrii, aceast problem poate fi mult mai uor de manipulat prin fuzionarea a dou linii, mai degrab, dect prin divizarea unei linie n dou. n aceast abordare, urmrirea este iniiat de toi pixelii n creier i rezultanta urmririi care penetreaz pixelul de interes este pstrata. Cu alte cuvinte, n loc s foloseasc pixelul de interes ca un pixel central, toi pixelii din creier sunt utilizati ca pixeli centrali.