В неврологии трактография — это метод 3D-моделирования , используемый для визуального представления нервных путей с использованием данных, собранных с помощью диффузионной МРТ . [1] Он использует специальные методы магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной диффузионной МРТ. Результаты представляются в виде двух- и трехмерных изображений, называемых трактограммами . [2]
В дополнение к длинным тракту, соединяющим мозг с остальным телом, существуют сложные нейронные цепи, образованные короткими связями между различными корковыми и подкорковыми областями. Существование этих трактов и цепей было выявлено гистохимией и биологическими методами на посмертных образцах. Нервные тракты не поддаются идентификации при прямом осмотре, КТ или МРТ . Эта трудность объясняет скудность их описания в атласах нейроанатомии и плохое понимание их функций.
Самый продвинутый алгоритм трактографии может выдавать 90% пакетов истинных данных, но он все еще содержит значительное количество недействительных результатов. [3]
Трактография выполняется с использованием данных диффузионной МРТ . Свободная диффузия воды называется « изотропной » диффузией. Если вода диффундирует в среде с барьерами, диффузия будет неравномерной, что называется анизотропной диффузией. В таком случае относительная подвижность молекул от источника имеет форму, отличную от сферы . Эта форма часто моделируется как эллипсоид , и тогда метод называется диффузионно-тензорной визуализацией . [4] Барьерами могут быть многие вещи: клеточные мембраны, аксоны, миелин и т. д.; но в белом веществе основным барьером является миелиновая оболочка аксонов . Связки аксонов создают барьер для перпендикулярной диффузии и путь для параллельной диффузии вдоль ориентации волокон.
Ожидается, что анизотропная диффузия будет увеличена в областях высокого зрелого аксонального порядка. Состояния, при которых миелин или структура аксона нарушены, такие как травма , [5] опухоли и воспаление , снижают анизотропию, поскольку барьеры подвергаются разрушению или дезорганизации.
Анизотропия измеряется несколькими способами. Один из способов — с помощью отношения, называемого дробной анизотропией (FA). FA, равный 0, соответствует идеальной сфере, тогда как 1 — идеальной линейной диффузии. Лишь немногие области имеют FA больше 0,90. Число дает информацию о том, насколько асферична диффузия, но ничего не говорит о направлении.
Каждая анизотропия связана с ориентацией преобладающей оси (преобладающее направление диффузии). Программы постобработки способны извлекать эту направленную информацию.
Эту дополнительную информацию трудно представить на 2D-изображениях в оттенках серого. Чтобы преодолеть эту проблему, вводится цветовой код. Основные цвета могут рассказать наблюдателю, как ориентированы волокна в трехмерной системе координат, это называется «анизотропной картой». Программное обеспечение может кодировать цвета следующим образом:
Метод не позволяет различить «положительное» или «отрицательное» направление на одной и той же оси.
Используя тензор диффузии МРТ , можно измерить кажущийся коэффициент диффузии в каждом вокселе изображения, и после мультилинейной регрессии по нескольким изображениям можно реконструировать весь тензор диффузии. [1]
Предположим, что в образце имеется интересующий нас тракт волокна. Следуя формулам Френе-Серре , мы можем сформулировать пространственную траекторию тракта волокна как параметризованную кривую:
где — касательный вектор кривой. Восстановленный тензор диффузии можно рассматривать как матрицу, и мы можем вычислить его собственные значения и собственные векторы . Приравнивая собственный вектор, соответствующий наибольшему собственному значению, к направлению кривой:
мы можем решить для заданных данных для . Это можно сделать с помощью численного интегрирования, например, с помощью метода Рунге–Кутты , и интерполяции главных собственных векторов .
