کتاب دژنراسیون ‏هسته ‏تالاموس ‏در ‏بیماران ‏مبتلا ‏به ‏اسکلروز

فهرست
عنوان صفحه
مقدمه 7
فصـل اول 15
بیماری اسکلروز متعدد (Multiple Sclerosis) 15
اپیدمیولوژی 15
عوامل خطر 16
پاتوفیزیولوژی 16
علائم بیماری 17
پیش آگهی 17
زیرگروه‌های بیماری 18
نحوه تشخیص 18
درجه بندی بیماری MS 19
آشنایی با اصول اولیه تصویربرداری تشدید مغناطیسی دیفیوژن تنسور (DTI) 22
دیفیوژن چیست؟ 22
چگونه دیفیوژن اندازه‌گیری می‌شود؟ 23
اصول اولیه تصویربرداری دیفیوژن تانسور 27
دیفیوژن جهت‌دار 27
تعیین بیضی انتشار 31
اندازه‌گیری متعدد ثابت دیفیوژنی برای تعیین بیضی انتشار 32
آنیزوتروپی دیفیوژن ماده سفید مغز انسان 33
ویژگی‌های تجربی تصویربرداری دیفیوژنی 34
آرتیفکت حرکتی 34
استفاده از تصویربرداری اکو صفحه‌ای برای انجام تصویربرداری دیفیوژن تانسور 36
کنتراست های جدید تصویربرداری با استفاده از تصویربرداری دیفیوژن تانسور 38
نقشه‌های آنیزوتروپی و ثابت دیفیوژن (نقشه‌های عددی) و نقشه راستای الیاف 38
کاربرد DTI در بررسی ضایعات بافت سفید 41
کاربرد DTI در بررسی آسیب‌های ایجاد شده در بیماری اسکلروز متعدد (MS) 42
اهداف مطالعه 43
سوالات و فرضیات 43
فصـل دوم 45
مطالعات 45
فصـل سوم 51
مواد و روش‌ها 51
نوع مطالعه 51
بیماران و روش نمونه برداری 51
دستگاه MRI 52
روش انجام آزمون 52
روش پردازش داده‌ها و نحوه ترسیم ROI مناسب و نرم‌افزار Explore DTI 53
نصب و اجرای نرم‌افزار 53
کار با نرم‌افزار و ایجاد فایل *. bval/*. bvec to B-matrix*. txt files 54
ایجاد فایل Nifti ۴ بعدی 56
تصحیح آرتیفک های حرکتی و جریان گردابی/به هم ریختگی EPI 58
کشیدن ROI و به دست آوردن مقادیر کمی 59
حجم سنجی برای هر دو تالاموس راست و چپ و نرم‌افزار BrainSuite 61
تبدیل فایل و اجرای نرم‌افزار 61
پردازش داده‌ها و آماده سازی برای حجم سنجی 63
اجرای پردازش برچسب گذاری و انطباق با اطلس مرجع 65
به دست آوردن مقادیر کمی 67
محدودیت‌های مطالعه 67
ملاحظات اخلاقی 68
فصـل چهارم 69
یافتهها 69
فصـل پنجم 75
نتیجه‌گیری 75
بحث و بررسی یافته ها 75
نتایج مطالعه در مورد تغییرات حجم هسته تالاموس 77
نتایج مطالعه همبستگی شاخص‌های کمی DTI و حجم تالاموس و معیار EDSS 77
عوامل مداخله گر 79
نتیجه‌گیری نهایی 80
محدودیت‌های مطالعه 80
منـابع و مآخـذ 83
منابع غیر فارسی 83

آنیزوتروپی دیفیوژن ماده سفید مغز انسان

علاقه بسیار زیادی برای اندازه‌گیری ناهمگنی دیفیوژن در مغز وجود دارد. مولکول‌های آب تمایل به انتشار در امتداد رشته‌های عصبی آکسونی را دارند بنابراین ناهمگونی (آنیزوتروپی) اطلاعات آناتومیک منحصر به فردی از ساختار آکسون‌ها به همراه دارد.

سه اصل مطالعه آکسون‌ها توسط DTI را هیجان انگیز کرده است:

• ماده سفید در تصویربرداری MRI روتین بصورت همگن به نظر می‌رسد و ما نمی‌توانیم آناتومی ماده سفید را به خوبی مشاهده کنیم.
• مطالعه وضعیت آکسون‌ها آسان و ممکن نیست. حتی در مطالعات بافت شناسی پس از مرگ ماده سفید در نمونه برش تازه بدون ساختار خاص است. بیشتر اطلاعات درباره آناتومی ماده سفید مغز انسان از ضایعات پاتولوژیک بدست آمده اند اما نمی‌توانیم اندازه و مکان ضایعه را در مطالعات انسانی کنترل کنیم و مطالعات در شرایط زنده نیز غیر ممکن است.
• تکنیک DTI می‌تواند اطلاعات نوروآناتومی که سایر روش‌ها قادر به فراهم آوردن آن نیستند را از کل مغز ایجاد کند. در حالی که روش‌های تهاجمی تنها برای بخش کوچکی از مغز استفاده می‌شوند. برتری این روش، شناسایی ویژگی‌های آناتومی ماکروسکوپی ماده سفید با روشی کاملاً غیر تهاجمی است.

پیش تر گفته شد که فرآیند دیفیوژن منعکس کننده ساختار میکروسکوپی سلول است. حال سوال این است که چرا گفته می‌شود DTI اطلاعاتی درباره ساختار آناتومی ماکروسکوپی فراهم می‌آورد؟ ناهمگنی دیفیوژن نشان دهنده آناتومی میکروسکوپی است (کمتر از ۱۰ میکرون) اما قدرت تفکیک تصویربرداری بزرگ‌تر از این مقدار است (معمولاً ۲ تا ۳ میلی متر برای هر پیکسل). اطلاعات میکروسکوپی درون هر پیکسل به طول اجتناب ناپذیری میانگین گیری می‌شود. در صورتی که ناهمگونی میکروسکوپی فراوانی درون یک پیکسل وجود داشته باشد اطلاعات آن پیکسل بدون ویژگی خاص می‌شود؛ به عبارت دیگر دیفیوژن بصورت همگن یا ایزوتروپ به نظر می‌رسد که این منجر به ساختار دو لایه ای در اطلاعات DTI می‌شود: لایه اول آناتومی میکروسکوپی است که ناهمگنی انتشار آب را سبب می‌شود و لایه دوم آرایش منسجم ماکروسکوپی از آناتومی میکروسکوپی ناهمگن است. تنها زمانی که این دو فاکتور درون یک پیکسل وجود داشته باشند می‌توان دیفیوژن ناهمگن را مشاهده نمود.

ویژگی‌های تجربی تصویربرداری دیفیوژنی

آرتیفکت حرکتی

آرتیفکت شبح (gosting) و خطای ثبت ناصحیح (co-registration error) دو نمونه از آرتیفکت‌های حرکتی هستند. توجه به این آرتیفکت‌ها و تصحیح آن‌ها به دو دلیل حائز اهمیت است؛ یکی از آن‌ها خاص تصویربرداری DTI است و دیگری مشکل متداول در تمامی تصویربرداری های کمی که از تصاویر MR متعدد استفاده می‌کنند، مانند T2 map و perfusion map است.

مسأله خاص DTI، کاهش درجه اعتبار تصاویر با وزن دیفیوژنی به دلیل اثر شبح است زیرا DTI به علت استفاده از گرادیان‌های قوی دیفیوژنی به حرکت بسیار حساس است. با استفاده از ثابت دیفیوژنی بافت نرمال مغز (0. 8 × 10^-5   ) فاصله گرادیانی معمول

(Δ=30ms)، می‌توان حرکت مولکول‌های آب را بطور متوسط در مدت زمان اندازه‌گیری حدود 7 µm در نظر گرفت. هر حرکت توده‌ای (bulk) به این اندازه‌یا بیشتر از آن می‌تواند با اندازه‌گیری‌های دیفیوژنی تداخل داشته باشد. در عمل حذف تمامی حرکات توده‌ای غیرممکن است؛ اهمیتی ندارد که سر بیمار درون کویل محکم نگه داشته شود زیرا حتی حرکات کوچک مغز به علت ضربان قلب و حرکات تنفسی نیز می‌توانند منجر به خطاهای فاز و در نتیجه اثر شبح شوند.

این مشکل را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های تک مرحله‌ای (single shot) از جمله تصویربرداری اکو صفحه‌ای کاهش داد. با این حال، باقی مانده اثر شبح هنوز می‌تواند تصاویر DWI را مبتلا سازد؛ مخصوصاً به نظر می‌رسد که مناطق اطراف حفره پشتی مغز مستعد مسائل شبح هستند که می‌تواند به علت ضربان مغز باشد؛ این مشکل را می‌توان با استفاده از دریچه بندی قلب و اجتناب از دوره‌هایی که حرکت پالسی در آن‌ها ماکزیمم است، بهبود بخشید. هرچند این روش کارایی زمان اسکن را کاهش داده و به آریتمی قلبی نیز حساس است؛ بنابراین باید به دقت، فایده و بهای عملکرد دریچه بندی قلبی را ارزیابی کرد. بطور مثال اگر هدف از DWI تشخیص بدشکلی بزرگ در ماده سفید باشد، میزان کوچک شبح در تصاویر مسأله مهمی محسوب نمی‌شود. اگر آزمون به منظور شناسایی ناهمگنی دیفیوژن جهت آشکار ساختن 5% تفاوت بین افراد نرمال و بیمار انجام می‌گیرد، دریچه بندی قلبی گزینه صحیحی است. در صورتی که تصاویر دچار اختلال شده باشند، باید از محاسبات تانسور خارج شوند. در تئوری، تنها به شش تصویر با وزن دیفیوژنی برای محاسبه تانسور نیاز است در حالیکه برای افزایش نسبت سیگنال به نویز معمولاً بیشتر از 30 تصویر با وزن دیفیوژنی تهیه می‌شود؛ بنابراین می‌توان بسیاری از تصاویر را که دچار اختلال شده اند را بدون ترس از کاهش قابل ملاحظه در نسبت سیگنال به نویز حذف کرد. به همین دلیل توصیه نمی‌شود که میانگین گیری سیگنال در زمان جمع آوری داده‌ها توسط اسکنر انجام شود. به جای آن، بایستی اندازه‌گیری‌های تکراری انجام شود و به صورت مجزا بررسی شوند. عدم مزیت این روش چشمی، زمانبر بودن آن و همچنین قضاوت شخصی برای شناسایی اثر شبح است.

دومین مشکل حرکتی در coregister کردن نمود می‌یابد. اسکن DWI به طور معمول 5 تا 15 دقیقه برای تهیه 30 تا 90 تصویر دیفیوژنی به طول می انجامد. در صورتی که حرکت فرد در زمان اسکن بیشتر از سایز پیکسل (2-3 میلی متر) باشد پیکسل‌ها در تصاویر DWI، coregister نمی‌شوند. مشکل ثبت با مشکل اختلال در تصاویر که پیشتر توضیح داده شد متفاوت است اگرچه هردو به دلیل حرکت فرد ایجاد شده اند؛ زمانی که در تصویر اختلال ایجاد می‌شود تنها می‌توان با حذف آن از مراحل پردازش داده‌ها مشکل را حل کرد؛ در حالیکه از نظر تئوری، ثبت ناصحیح را می‌توان با تنظیم تصویر در ضمن فرآیند پس پردازشی تصحیح کرد. لازم به ذکر است فرآیند تنظیم مجدد شامل درون یابی پیکسل‌ها می‌شود که به صورت اجتناب ناپذیری منجر به اثرات صاف شدگی و در نتیجه کاهش قدرت تفکیک و تقویت نسبت سیگنال به نویز می‌شود.

استفاده از تصویربرداری اکو صفحه‌ای برای انجام تصویربرداری دیفیوژن تانسور

حرکات همدوس منجر به تغییر فاز سیگنال می‌شوند. شناختن اثر جابجایی فاز مربوط به حرکت بسیار حائز اهمیت است. برای مثال اگر بخواهیم تصویری با ماتریس 128 × 128 تهیه کنیم، اسکنر نیاز به داده‌های خام (داده‌ها در بعد زمان و یا داده‌های فضای k) با قدرت تفکیک 128 × 128 دارد. در تصویربرداری معمولی اطلاعات به صورت خط به خط ثبت می‌شوند که در این مثال نیاز به 128 اسکن مستقل که هر کدام مربوط به یک خط است وجود دارد. در فضای k، هم اطلاعات فاز و هم بزرگی ثبت می‌شوند که پس از تبدیل فوریه به شدت و اطلاعات فضایی تبدیل می‌شوند در صورتی که جابجایی فاز غیر تکرار شونده در هر اسکن ایجاد شود، منجر به ثبت ناصحیح سیگنال‌های پروتون پس از تبدیل فوریه می‌شود که به صورت شبح دیده می‌شود (شکل 1-11-B).

متداول‌ترین راه حل برای این مشکل استفاده از تکنیک‌هایی چون تصویربرداری اکو صفحه‌ای تک مرحله‌ای (^[1]SS-EPI) است که تمام فضای k در ضمن یک اسکن ثبت می‌شود. در این مدت حتی اگر وزن دیفیوژنی و حرکات توده‌ای سبب جابجایی فاز شوند، تمام فضای k به میزان یکسانی خطای فاز دریافت می‌کند که در تئوری هیچ اثری بعد از تبدیل فوریه ندارد. در صورتی که مشکل حرکتی زیادی وجود نداشته باشد، SS-EPI می‌تواند مسائل شبح مربوط به حرکت را برطرف سازد؛ از طرف دیگر، SS-EPI مشکلات مربوط به خود را دارد؛ از جمله:

۱) قدرت تفکیک فضایی آن محدود است. معمولاً طول قطار اکو تنها می‌تواند به 128 برسد زیرا سیگنال زیادی پس از قطار اکوی طولانی باقی نمی‌ماند. اگر میدان دید 240 میلی متر باشد، قدرت تفکیک به 875. 1 میلی متر می‌رسد. چون سیگنال زیادی پس از قطار اکوی طولانی باقی نمی‌ماند بنابراین افزایش اکوها مثلا 144 اکو سبب افزایش واقعی قدرت تفکیک نمی‌شود. از طرف دیگر افزایش طول قطار اکو، زمان اکو را طولانی‌تر و سیگنال را کاهش می‌دهد.

) اعوجاج (Distortion) تصویر: برای بهبود این مساله مربوط به SS-EPI از روش‌های دیگر جمع آوری داده‌ها مانند روش اکو صفحه‌ای قطعه ای، اسکن های قطعه ای مارپیچی (segmented spiral scans) و جمع آوری به صورت PROPELLER استفاده می‌شود. لازم به ذکر است با پیشرفت های اخیر در تکنولوژی تصویربرداری موازی این مشکلات به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته اند و تکنیک SS-EPI به طور گسترده استفاده می‌شود.

دو نقطه ضعف اساسی SS-EPI محدودیت قدرت تفکیک و اعوجاج تصویر به علت مشکلات استعدادپذیری B0 است. در SS-EPI تمامی خطوط کدگذاری فاز پس از یک بار تحریک تهیه می‌شود. با افزایش طول قطار اکو، اعوجاج تصویر افزایش می‌یابد؛ به عبارت دیگر افزایش قدرت تفکیک سبب افزایش اعوجاج می‌شود. غیریکنواختی میدان مغناطیسی دلیل این اعوجاج است. بیشترین مکان آن‌ها اطراف سینوس مانند مناطق تحتانی لوب فرونتال، قطب قدامی لوب تمپورال و پل های مغز است. با افزایش قدرت میدان (3 تسلا نسبت به 5. 1 تسلا) اعوجاج افزایش می‌یابد. با انتخاب قدرت تفکیک پایین تر می‌توان اعوجاج را کاهش داد؛ همچنین تکنیک‌هایی وجود دارند که اعوجاج میدان B0 را اندازه‌گیری کرده و نقشه ای از اعوجاج تصویر ترسیم کرده و آن را خنثی می‌سازند؛ این روش به اسکن اضافی برای نقشه برداری از میدان نیاز دارد بنابراین نمی‌توان این روش را برای اطلاعات موجود که این اسکن را انجام نداده اند استفاده کرد. این روش بطور مناسبی اعوجاج با فرکانس پایین (اعوجاج کلی تصویر) را تصحیح می‌کند ولی برای تصحیح اعوجاج با فرکانس بالا (اعوجاج موضعی شدید) هنوز بحث هایی وجود دارد. تصویربرداری موازی روش بسیار مؤثری در تکنولوژی جدید به منظور کاهش اعوجاج است.

کنتراست های جدید تصویربرداری با استفاده از تصویربرداری دیفیوژن تانسور

نقشه‌های آنیزوتروپی و ثابت دیفیوژن (نقشه‌های عددی) و نقشه راستای الیاف

زمانی که شش پارامتر بیضی انتشار در هر پیکسل بدست آید اقدام بعدی به کارگیری آن‌ها برای نشان دادن نوروآناتومی است. کامل ترین راه، قرار دادن بیضی سه بعدی درون هر پیکسل است که در عمل اگر هر قسمت از مغز بزرگ نمایی نیابد بیضی‌ها در هر پیکسل بسیار کوچک می‌شوند و این کار برای استفاده معمولی قابل اجرا نیست. میانگین ثابت دیفیوژن ظاهری و نقشه آنیزوتروپی، دو تصویر با دامنه خاکستری هستند که بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

منظور از میانگین ADC^[1]، 3. 1 مقدار trace (3/λ₁ + λ₂ + λ₃) است که برای نمایش کاربرد بسیاری دارد (اغلب همان trace خوانده می‌شود) زیرا به راستای الیاف حساس نیست. راه‌های بسیاری برای نمایش آنیزوتروپی وجود داردکه ساده ترین آن در نظر گرفتن نسبت محورهای بزرگ و کوچک است (λ₁/λ₂). هرچه بیضی کشیدگی بیشتری داشته باشد، عدد حاصل بزرگتر است. این اندازه‌گیری ساده به اندازه‌گیری نویز بسیار حساس است. معیاری که از تفاوت سه پارامتر λ₁، λ₂، λ₃ استفاده می‌کند، ارزش بیشتری دارد:

[(λ₁-λ₂)² + (λ₁-λ₃)² + (λ₂-λ₃)²]

این شاخص برای کره صفر است (λ₁ =λ₂ = λ₃) و برای بیضی هرچه از شکل کروی انحراف بیشتری پیدا کند، افزایش می‌یابد. شاخص‌هایی که امروزه برای آنیزوتروپی استفاده می‌شوند به صورت عددی بین 0 تا 1 هستند.

یکی از متداول‌ترین شاخص‌ها Fractional Anisotropy (FA) است که از رابطه زیر (معادله ۱-۱) بدست می‌آید:

معادله ۱-۱                               FA =

نقشه‌های ADC و نقشه‌هایی که اساس آن آنیزوتروپی است، نقشه‌های عددی هستند و مانند تصاویر معمولی MRI می‌توانند با محدوده خاکستری نمایش داده شوند. با ترسیم منطقه دلخواه به صورت دستی بر روی آن می‌توان کمیت هایی را تعیین کرد. علاوه بر مقادیر عددی حاصل از eigenvalue، می‌توان از eigenvector که اطلاعات مربوط به راستا را دارد استفاده کرد؛ که البته برای نمایش، کمی سازی و تفسیر کم‌تر به کار می‌رود.

در بسیاری از مطالعات، V₂ و V₃ نادیده گرفته می‌شوند و تنها V₁ مورد توجه قرار گرفته و آن را برای نمایش راستای فیبرها در یک منطقه به کار می‌برند.

یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای نشان دادن راستای الیاف، نقشه‌های کدگذاری شده رنگی هستند (شکل 1-11).