Novel diffusion tensor imaging (DTI) approaches at 3 T

Thumbnail Image
Files
isbn9789526051970.pdf (4.14 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-05-30
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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.
Author
Date
2013
Department
O.V. Lounasmaa -laboratorio
O.V. Lounasmaa Laboratory
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
79 + app. 52
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 93/2013
Abstract
Diffusion tensor imaging (DTI) records random thermal movements of water molecules in the body. In tissues with organized microstructure, such as the white matter of the brain, water tends to move (diffuse) more easily along the main direction of the fibers than in the orthogonal directions, resulting in anisotropic diffusion. The main parameter images of interest are the mean diffusivity (MD) describing the strength of diffusion, fractional anisotropy (FA) describing the asymmetry of diffusion (due to tissue structures), and tractography to visualize the 3D course of fiber tracts.  This Thesis arose from the methodological needs related to adoption of the DTI method into our laboratory. In the first study, mechanical vibrations during DTI were demonstrated to be unevenly distributed within the scanner. These vibrations, generally assumed to be negligible, thus have to be taken into consideration, as they may affect the image quality and accuracy of diffusion measurements. In the second study, pre-processing-effects of voxel-based analysis (VBA) of DTI data were evaluated using simulated brain lesions in MD and FA images. Pre-processing and inter-individual variation remarkably affected the outcome of the analysis even to such extent that some lesions were not detected by VBA. The success of lesion detection varied between the brain areas, and it was different for MD and FA. The third study was the first to demonstrate the feasibility of DTI in tracking distal peripheral nerves in both upper and lower limbs. As a continuation, DTI was in the fourth study applied to monitor patients with carpal tunnel syndrome, an entrapment of the median nerve at the wrist, before and after surgical therapy. Comparisons with healthy young control subjects revealed increased MD and decreased FA in patients, whereas results of patients and age-matched control subjects were rather similar. Post-operative healing was reflected in MD but not in FA. Numerous other DTI studies on peripheral nerves, published recently, indicate that this research area initiated by us is becoming increasingly popular.  

Diffuusiotensorikuvauksella (DTI) mitataan vesimolekyylien lämpöliikettä kehossa ihmiseen kajoamatta. Järjestyneissä kudosrakenteissa (esimerkiksi aivojen valkeassa aineessa) on säikeitä, joiden suunnassa vesi diffundoituu paremmin kuin kohtisuoraan säikeitä vastaan; seurauksena on diffuusion anisotropia eli epäsymmetria. Kuva-analyyseissä mielenkiinnon kohteina ovat yleensä keskimääräinen diffuusion suuruus, kudosrakenteiden aikaansaama anisotropia  ja traktografia eli hermoratojen kartoitus, jolla hermoratoja voidaan visualisoida kolmiulotteisesti. Tämän väitöskirjan liipaisijana olivat uudet menetelmälliset haasteet, jotka liittyivät DTI-menetelmän käyttöönottoon laboratoriossamme. Ensimmäisessä osatyössä osoitettiin DTI-kuvauksen synnyttämän mekaanisen tärinän leviävän epätasaisesti kuvauslaitteen rakenteissa. Tämän vuoksi tärinän mahdollinen vaikutus kuvanlaatuun ja diffuusiomittausten tarkkuuteen on syytä huomioida, vaikka tärinän on aiemmin yleisesti arveltu olevan merkityksetöntä. Toisessa osatyössä tutkittiin kuvien esikäsittelyn vaikutusta vokselipohjaisen analyysin (VBA) tuloksiin käyttäen oikeita vaurioita jäljitteleviä keinotekoisia muutoksia MD- ja FA-kuvissa. Esikäsittely ja koehenkilöiden väliset eroavuudet vaikuttivat analyysien tuloksiin jopa niin suuressa määrin, että osa vauriokohdista jäi kokonaan löytymättä. Esikäsittelyn vaikutukset olivat erilaisia eri aivoalueilla ja myös MD- ja FA-kuvissa. Kolmannessa osatyössä osoitettiin ensimmäistä kertaa DTI:n soveltuvan ylä- ja alaraajojen distaalisten ääreishermojen kuvaukseen. Neljännessä osatyössä diffuusiotensorikuvauksella tutkittiin potilaita, joilla on todettu karpaalitunnelisyndrooma (yläraajan keskihermon pinnetila ranteessa) sekä ennen että jälkeen leikkaushoidon. Verrattuna nuorten verrokkihenkilöiden tuloksiin, potilaiden keskihermossa diffuusio oli lisääntynyt ja anisotropia vähentynyt, kun taas potilaiden ja samaan ikäluokkaan kuuluvien verrokkien tulokset olivat varsin samankaltaisia. Leikkauksen jälkeinen paraneminen näkyi diffuusion suuruudessa, mutta ei anisotropiassa. Myös ikä näytti vaikuttavan diffuusio- ja anisotropiatuloksiin. Viime aikoina on julkaistu lukuisa määrä ääreishermojen diffuusiotensorikuvaustutkimuksia ja vaikuttaa siltä, että tämän käynnistämämme tutkimusalueen suosio on nopeasti kasvamassa.
Description
Supervising professor
Hari, Riitta, Acad. Prof., School of Science, O.V. Lounasmaa Laboratory, Brain Research Unit, Aalto University, Finland
Thesis advisor
Hari, Riitta, Acad. Prof., School of Science, O.V. Lounasmaa Laboratory, Brain Research Unit, Aalto University, Finland
Keywords
diffusion tensor imaging, DTI, vibration, voxel-based analysis, peripheral nerves, carpal tunnel syndrome, diffuusiotensorikuvaus, DTI, tärinä, vokselipohjainen analyysi, ääreishermot, karpaalitunnelisyndrooma
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hiltunen J, Hari R, Jousmaki V, Muller K, Sepponen R, and Joensuu R: Quantification of mechanical vibration during diffusion tensor imaging at 3T. NeuroImage 2006, 32: 93–103.
  • [Publication 2]: Hiltunen J, Seppa M, and Hari R: Evaluation of voxel-based group-level analysis of diffusion tensor images using simulated brain lesions.Neuroscience Research 2011, 71: 377–386.
  • [Publication 3]: Hiltunen J, Suortti T, Arvela S, Seppa M, Joensuu R, and Hari R: Diffusion tensor imaging and tractography of distal peripheral nerves at 3 T. Clinical Neurophysiology 2005, 116: 2315–2323.
  • [Publication 4]: Hiltunen J, Kirveskari E, Numminen J, Lindfors N, Goransson H, and Hari R: Pre- and post-operative diffusion tensor imaging of median nerve in carpal tunnel syndrome. European Radiology 2012, 22:1310–1319.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5197-0
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI