MR traktografie a její využití při neuronavigačních operačních výkonech

Jan ŠTĚPÁN

Bakalářská práce

The use of MRI Tractography in Neuronavigation surgery

Anotace:

Lidský mozek se skládá z více než 100 miliard neuronů a je beze sporů nejkomplexnější strukturou v našem těle. V současné době existuje celá řada zobrazovacích metod umožňujících charakteristiku jeho struktury a dokonce i funkce. Ačkoliv konvenční techniky zobrazování pomocí magnetické rezonance (MR) hrají hlavní roli při běžném vyšetření kortikálních i subkortikálních struktur mozku, přesto tyto techniky postrádají možnost přínosu informace o mikrostruktuře mozkové tkáně. Tento problém lze řešit pomoci MR techniky difuzně váženého zobrazení (diffusion weighted imaging - DWI), která umožňuje zobrazení difuze molekul vody ve tkáni a poskytuje tak cenné informace o nehomogenní mikroarchitektuře mozkových struktur. Metoda zobrazení tenzorů difuze (diffusion tensor imaging - DTI) a další zpracování obrazových dat umožňují podrobnější hodnocení integrity vláken bílé hmoty mozku a rekonstrukci jednotlivých mozkových drah. Zobrazení mozku pomocí magnetické rezonance patří mezi nezbytná vyšetření před plánováním resekčního neurochirurgického výkonu. Možnost modelace kortikospinální dráhy a jejího vztahu k zobrazovanému nádoru je velmi důležitá nejen pro předoperační rozvahu, ale lze ji využít přímo při výkonu v rámci neuronavigace. Účelem je zcela zamezit, nebo omezit poškození kortikospinální dráhy při neurochirurgických výkonech. V následujících částech této teoretické práce jsou popsány nejdříve vědecké podklady difuze a dále její použití v MR zobrazování, včetně praktického využití v neurochirurgii a neuronavigaci. Zohledněna je i úloha radiologického asistenta v praktické aplikaci těchto metod, která spočívá především ve vhodném plánování a provedení MR vyšetření. Je vhodné zmínit se o důležitosti spolupráce radiologického asistenta s lékařem radiologem ohledně zvolení jednotlivých parametrů difuzně vážené sekvence. Samozřejmostí je dobrá komunikace s pacientem a snaha o omezení vzniku pohybových artefaktů, vůči kterým jsou difuzně vážené sekvence obzvláště citlivé. Vzhledem k tomu, že toto téma nebylo dosud komplexněji zpracované v českém jazyce a většina zdrojových materiálu je k dispozici v anglojazyčné literatuře, cílem této teoretické III bakalářské práce je podat ucelený pohled na zkoumanou problematiku se zaměřením na postupné vysvětlení jednotlivých problémů. Metodika této práce je spojena s přeanalyzováním velkého množství odborné literatury, především anglojazyčné a i v případě použití českých zdrojů se jedná o pokus reinterpretace a seřazení jednotlivých informací dle níže uvedeného klíče. Před samotným vysvětlením principů traktografie je nejdříve uvedeno podrobnější vysvětlení techniky zobrazení tenzoru difuze DTI, včetně matematických konceptů (matice tenzoru, elipsoid) a odvozených veličin (frakční anizotropie, střední difuzivita, podélná a radiální difuzivita). Vysvětlen je i základní princip vzniku difuzně vážených obrazů, spočívající v aplikaci difuzních gradientů do MR pulzní sekvence. K lepšímu pochopení této metody jsou nejdříve zohledněny podklady techniky DWI techniky difuzně váženého zobrazení a její praktického využití v každodenní radiologické a klinické praxi. Difuzně vážené zobrazení lze obecně využít buď k charakterizaci patologických procesů v mozkové tkání, v diferenciální diagnostice, anebo ke kvantifikaci stupně postižení. Technika DTI rovněž nachází řádu klinických uplatnění, které lze jednoduše rozdělit do dvou základních skupin. Do první skupiny patří především vědecky orientované studie zaměřené na detekci mikrostrukturálních abnormalit bílé hmoty mozkové. Druhá skupina zahrnuje praktické aplikování DTI techniky

Anotace:

v neurochirurgii a neuronavigaci v rámci předoperačního vyšetření pacientů. V další části této práce jsou popsány zvlášť deterministické a probabilistické techniky traktografie včetně jejich limitací.

Abstract:

The human brain consists of more than 100 billion of neurons, and is undoubtedly the most complex structure in our body. Currently, the huge number of imaging methods aims at investigation of its structure or even the function. Although conventional imaging techniques using magnetic resonance (MR) play a major role in the routine examinations of cortical and subcortical brain structures, yet these techniques cannot provide the information about the microstructure of brain tissues. This problem can be solved with diffusion weighted imaging - DWI, which can visualize diffusion of water molecules in tissues, at the same time providing valuable information about the non-homogeneous microarchitecture of these structures. Diffusion tensor imaging (DTI) and further sophisticated techniques of image post-processing allow for a more detailed evaluation of the integrity of white matter fibers and the reconstruction of the various pathways in the brain. Neuroimaging techniques using magnetic resonance are among the unavoidable examinations before planning the neurosurgical resection of pathological lesions. The possibility of modelling of the corticospinal tract and presenting its relation to the tumor is very important, not only for the preoperative planning, but it can be used intraoperatively within the neuronavigation. The purpose is to completely prevent or reduce the possibility of the damage of the corticospinal tract during neurosurgery. In the following sections of this theoretical work the scientific background of diffusion and its application in MR imaging are described first, including practical applications in neurosurgery and neuronavigation. The role of the radiology assistant in the practical VI application of these methods is taken into account, which consist mainly of the appropriate planning and performing the MR examination. It is appropriate to mention the importance of the cooperation of the radiology assistant with radiologist with regard to the proper selection of MR parameters of diffusion weighted sequences. Good communication with the patient is the crucial issue, due to the effort to limit the occurrence of motion artifacts, for which the diffusion-weighted sequences are particularly sensitive. Due to the fact that the whole issue has not yet been comprehensively processed in the Czech language, and most of the source material is available in English-language literature, the aim of this theoretical Bachelor thesis is to give a comprehensive view of the problem, focusing on the systematic clarification of each issue. The methodology of this work is associated with the analysis of a large amount of literature, especially English-language; also the Czech resources are reinterpreted with the attempt to sort the issues according to the following key. Firstly, detailed explanation of diffusion tensor imaging (DTI) technique is given before explaining the principles of tractography, including mathematical concepts (the matrix tensor, ellipsoid) and derived quantities (fractional anisotropy, mean diffusivity, longitudinal and radial diffusivity). The basic principles of the diffusion-weighted sequences consist of the application of diffusion gradients into the MR pulse sequence. To better understand this method, it is appropriate to reflect also the technical background of diffusion-weighted imaging (DWI), and its practical use in daily radiological and clinical practice. Diffusion-weighted imaging can generally be used either to characterize the abnormalities in the brain tissue, in the differential diagnosis, or to quantify the degree of pathological processes.

Klíčová slova

Difuzně vážené zobrazení, DWI, difuzní tenzor, zobrazení difuzních tenzorů, DTI, bílá hmota mozková, traktografie, kortikospinální dráha, neurochirurgie, neuronavigace

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 2. 5. 2016

Zveřejnit od: 2. 5. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: MUDr. Petr Lhoták

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

Zdravotně sociální fakulta

Bakalářský studijní program / obor:
Specializace ve zdravotnictví / Radiologický asistent