The visualization of the subthalamic nucleus with quantitative susceptibility mapping
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-10-18
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
SCI3059
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
35+6
Series
Abstract
The subthalamic nucleus (STN) is a small, lens-shaped and iron-rich nucleus located in the midbrain, that serves as a hub for multiple brain circuits. It is a common target of deep brain stimulation (DBS) for treatment of advanced Parkinson's disease. The treatment outcome is largely dependent on the correct placement of the stimulation electrodes. The STN is difficult to image due to its small size, oblique orientation and individual variations in its shape, size and location. In addition, it is located close to other iron rich deep gray matter structures like the substantia nigra (SN). Iron-containing molecules in deep brain structures like the STN are paramagnetic. Paramagnetic substances tend to enhance an outside magnetic field due to their unpaired electrodes forming magnetic dipole moments. These paramagnetic molecules cause magnetic field perturbations that can be seen in, the often discarded, magnetic resonance imaging (MRI) phase data. Quantitative susceptibility mapping (QSM) is a MRI postprocessing method that maps sources of magnetic susceptibility in the body from this phase data. It has shown potential for instance in depicting deep brain structures. In this thesis, a total generalized variation (TGV) based QSM reconstruction was implemented into an automated image processing workflow at The Hospital District of Helsinki and Uusimaa (HUS) Medical Imaging Center. The visibility of the STN was compared in QSM processed images to susceptibility-weighted (SWI) images. The contrast between the STN and surrounding tissue was significantly better in QSM images compared to SWI images that were constructed from the same magnitude and phase images, both visually and in a contrast-to-noise ratio (CNR) analysis. This shows a potential for further investigation to implement QSM in the clinical routine for targeting the STN for DBS.Subtalaaminen tumake (STN) on pieni ja rautapitoinen keskiaivoissa sijaitseva tumake, joka toimii monien aivoalueiden välisten yhteyksien solmukohtana. STN on yleinen kohde Parkinsonin taudin syväaivostimulaatiohoidossa (DBS). Hoitotulos on suuresti riippuvainen stimulaatioelektrodien oikeasta sijainnista. Subtalaamisen tumakkeen kuvantamisesta tekee vaikeaa sen vinous suhteessa kuvaussuuntiin, sekä yksilöllinen vaihtelu sen sijainnissa, muodossa ja koossa. Lisäksi STN sijaitsee lähellä muita rautapitoisia aivorakenteita kuten mustatumaketta (Substantia nigra, SN). Rautaa sisältävät molekyylit syvissä aivorakenteissa kuten subtalaamisessa tumakkeessa ovat paramagneettisia. Paramagneettiset aineet sisältävät parittomia elektroneja, jotka muodostavat magneettisia dipolimomentteja, vahvistaen ulkoista magneettikenttää. Magneettikentän vahvistaminen on magneettikentän muutosta, mikä voidaan havaita magneettikuvantamisen vaihedatassa. Kvantitatiivinen suskeptibiliteettikartoitus (QSM) on magneettikuvantamisdatan jälkikäsittelymenetelmä, jossa magneettisen suskeptibiliteetin lähteitä kehossa kartoitetaan magneettikuvantamisen vaihedatasta. QSM on kirjallisuudessa vaikuttanut lupaavalta esimerkiksi syvien aivorakenteiden kuvaamisessa. Tässä työssä TGV-pohjainen (total generalized variation) QSM-algoritmi implementoitiin automaattiseen kuvankäsittelyn työnohjausjärjestelmään HUS (Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiiri) Kuvantamisessa. Subtalaamisen tumakkeen näkyvyyttä vertailtiin QSM-kartoissa ja samoista magnitudi- ja vaihekuvista muodostetuissa suskeptibiliteettipainotteisissa (SWI) magneettikuvissa. Kontrasti STN:n ja ympäröivien rakenteiden välillä oli huomattavasti parempi QSM kuvissa kuin SWI-kuvissa sekä visuaalisesti että kontrastisuhdeanalyysissä.Description
Supervisor
Parkkonen, LauriThesis advisor
Salli, EeroKorvenoja, Antti
Keywords
quantitative susceptibility mapping, subthalamic nucleus, magnetic susceptibility, magnetic resonance imaging, deep brain stimulation, Parkinson’s disease