Advanced imaging methods in the study of the brain microstructure

Ing. Michaela Bartoňová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

This dissertation sums up the knowledge of the benefits of diffusion-weighted imaging (DWI) in a study of MR-negative epilepsy. The introduction of this thesis brings a brief overview of the acquisition of DWI images and is mainly dedicated to the state-of-the-art methods of artefact correction in DWI data and the mathematical background of selected models used for modelling diffusion. Special sections are dedicated to introducing advanced techniques, Diffusional Kurtosis Imaging, and Fixel-Based Analysis. Last but not least, the introduction ends with a short insight into epilepsy and an explanation of MR-negativity in a sense used in this work. After the objectives of the thesis are formulated, the empirical work of the thesis is presented. Two studies previously published as peer-reviewed publications are listed. The first study is focused on the localisation of areas associated with seizure generation in patients with epilepsy and normal-appearing MRI, using advanced postprocessing methods of DWI images. The second study uses state-of-the-art fixel (fibre elements inside the voxel) modelling to describe the white matter disruption characteristic for MR-negative frontal and MR-negative temporal lobe epilepsies. The results of our studies reveal the benefit of this modality in the study of epilepsy in general, but especially in the presurgical evaluation of patients with otherwise no MRI-based resective surgery hypothesis.

Abstract:

Tato disertační práce shrnuje poznatky o výhodách difúzně váženého zobrazování (DWI) ve studiu MR-negativní epilepsie. Úvod této práce přináší stručný přehled akvizice DWI snímků a je věnován především nejmodernějším metodám korekce artefaktů v DWI datech a matematickému pozadí vybraných modelů používaných pro modelování difúze. Speciální sekce jsou věnovány představení pokročilých metod, zobrazování kurtózy difuze a fixelové analýzy. V neposlední řadě je úvod zakončen krátkým vhledem do epilepsie a vysvětlením MR-negativity ve smyslu používaném v této práci. Po formulování cílů práce je prezentována empirická část disertační práce. Jsou uvedeny dvě studie dříve publikované jako recenzované publikace. První studie je zaměřena na lokalizaci oblastí spojených se vznikem záchvatů u pacientů s epilepsií a normálně vypadajícím MRI pomocí pokročilých metod postprocessingu DWI snímků. Druhá studie využívá nejaktuálnější metody modelování fixelů (jednotlivých vláken uvnitř voxelů) pro popis změn v bílé hmotě, specifických pro pacienty s frontální a temporální epilepsie bez strukturálních změn na MRI. Výsledky našich studií odhalují přínos této modality ve studiu epilepsie obecně, ale zejména v předchirurgickém hodnocení pacientů jinak bez hypotézy stanovené pomocí MRI.

Keywords

Epilepsy, Diffusion-weighted imaging, DWI, Diffusion Tensor Imaging, DTI, Diffusion Kurtosis imaging, DKI, Fixel-Based Analysis, FBA

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 1. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 25. 4. 2023
• Supervisor: prof. MUDr. Ivan Rektor, CSc.
• Reader: MUDr. Pavel Filip, Ph.D., prof. MUDr. Ing. Petr Hluštík, Ph.D., MUDr. MSc. Jan Brabec, PhD.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Neurosciences / Neurosciences