From Diffusion to Tracts

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4131-6
Title: From Diffusion to Tracts
Author: Sairanen, Viljami
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Medical Physics
Helsinki University Hospital, HUS Medical Imaging Center
University Medical Center Utrecht, PROVIDI Lab
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2018-04-13
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4131-6
http://hdl.handle.net/10138/233759
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Diffusion of water molecules within the brain tissue can be used to modulate the nuclear magnetic resonance signal that is used to form magnetic resonance images (MRI). As the signal itself can be noisy and its meaning challenging to interpret, mathematical models are generally fitted to these measurements to obtain the more accurate characterization of the brain microstructure. This, of course, requires that the mathematical model itself is sound in respect to the measurement setup. This dissertation focuses on the extensively used tensor models as they have been shown to unravel details of the physical diffusion phenomena along with various applications in the basic neuroscience, the clinical research, and even in the neurosurgery. One of the greatest challenges in the diffusion weighted MRI measurements is subject motion during the image acquisition as that can cause a complete loss of the measurement which is especially highlighted in ill or uncooperative patients studies. Due to the used acquisition technique, this loss extends to multiple measurements simultaneously resulting in an enormous gap in the sampling. Such gaps can be problematic for any model fitting, even for the currently available robust means developed to exclude outlier measurements from affecting the estimate. Hence in this dissertation, a tool coined as SOLID was developed to detect these outliers and to robustly process them during the tensor based model estimation. SOLID was implemented as a part of the widely used ExploreDTI toolbox to allow the rapid international distribution of the tool. Unfortunately, any reduction in the measurement sampling will lead to increasing error propagation during the model estimation. Mathematically this is detailed in terms of a condition number for the matrix inversion in the linear least squares fitting. Previously, the condition number has been used to optimize the diffusion weighted MRI acquisition gradient scheme but in this dissertation it was renovated into a novel quality control tool. The condition number of the matrix inversion that provides the model estimate can be calculated after the outliers are excluded to assess spatially and directionally varying error propagation to obviate any bias in subject or population studies. To motivate the importance of the robust methods and diffusion weighted MRI at large, neurocognitive studies with neonates’ visual abilities and bilinguals’ acquisition age of the second language were conducted as a part of this thesis. The findings in these studies indicated that premature birth affects the white matter structures across the brain whereas the age of acquisition of the second language affects only the speech related brain structures.Aivojen rakenteessa tapahtuvien muutosten mittaaminen on avainasemassa tutkittaessa esimerkiksi keskosena syntyneen lapsen kehitystä tai uusien taitojen, kuten kielten, oppimista. Ihmisaivojen tutkiminen on aiemmin rajoittunut aivojen toiminnan arviointiin aivosähkökäyrän ja neurokognitiivisten testien avulla. Viime vuosikymmenten kehitys magneettikuvaustekniikassa on tuonut mahdollisuuden tutkia kajoamattomasti myös aivojen rakennetta ja jopa seurata sen muutosta lapsen kasvaessa tai ihmisen oppiessa uusia taitoja. Yksi lupaavimmista aivojen tutkimusmenetelmistä on diffuusiopainotettu magneettikuvaus, jolle on löytynyt lukuisia käyttökohteita niin neurotieteessä, lääketieteellisissä tutkimuksissa kuin neurokirurgiassakin. Menetelmä perustuu vesimolekyylien lämpöliikkeen mittaamiseen aivoissa. Molekyylien liike on vapaata muun muassa valkean aineen rakenteiden myötäisesti, mutta lähes mahdotonta kohtisuoraan niiden lävitse. Jäljittämällä nämä reitit voidaan muodostaa tarkka malli aivojen rakenteesta. Mallin pohjalta on mahdollista laskea kuvaavia arvoja, jotka auttavat esimerkiksi määrittämään aivovaurion astetta. Diffuusiopainotetun magneettikuvauksen suurin haaste on menetelmän monimutkaisuus sekä mittauksen että analyysin osalta. Vain hyvin yksinkertaisissa tapauksissa asiantuntija voi arvioida suoraan diffuusiopainotetusta magneettikuvasta poikkeamia aivoissa. Yleensä käytetään matemaattisia menetelmiä kuvan tarkempaan analysointiin. Tällöin keskeistä on inversio-ongelman ratkaisu, missä potilaasta tehdyt mittaukset sovitetaan aivoja kuvaavaan matemaattiseen malliin. Sopivan mallin valinnalla on siis suuri vaikutus lopputuloksen hyödyllisyyteen. Diffuusiopainotettu magneettikuvaus on myös häiriöherkkä ja mittaukset sisältävät luonnostaan paljon kohinaa, jonka vaikutusta vähennetään tekemällä toistomittauksia. Toistomittaukset pidentävät kuvausaikaa, joka puolestaan voi olla haasteellinen potilaalle, koska potilaan pitää olla liikkumatta koko kuvauksen ajan. Potilaan pään pienikin liike voi johtaa huomattaviin mittavirheisiin, koska menetelmällä mitataan vesimolekyylien liikettä, jonka suuruus on vain kymmenien mikrometrien luokkaa. Tässä fysiikan väitöskirjassa keskityttiin diffuusiopainotetun magneettikuvauksen mallintamismenetelmien kehitystyöhön ja niiden käyttöönottoon Helsingin yliopistollisessa sairaalassa. Kehitimme kansainvälistä huomiota herättäneen SOLID-työkalun, jolla voidaan havaita sekä korjata potilaan liikkeestä aiheutuvia virheitä mittaustuloksissa. Tämän lisäksi esitimme laadunvalvonta menetelmän, jolla voidaan arvioida esimerkiksi potilaiden välisten mallinnustulosten vertailukelpoisuutta. Kehitettyjä menetelmiä testattiin ja sovellettiin kahdessa tutkimuksessa: Osoitimme, että vastasyntyneen lapsen kyky seurata katseellaan liikkuvaa kohdetta liittyy laaja-alaisiin muutoksiin aivojen valkean aineen rakenteessa. Lisäksi näytimme, että toisen kielen oppimisajankohta vaikuttaa aivojen puheentuottoon liittyvien aivorakenteiden muodostumiseen.
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
FROMDIFF.pdf 6.950Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record