Neural tract analysis; a software implementation

Abstract

Diffusion magnetic resonance imaging (MRI) is an imaging modality that can be used to examine the microstructure of white matter in the human brain, which cannot be seen by other means of imaging. This microstructure can be derived from diffusion based fractional anisotropy (FA) images, which can be correlated to the neural tract structures. Fractional anisotropy is basically a scalar value representing the isotropy of water molecule diffusion in a medium. Various neurological conditions affect neural tract and axonal structures, and these changes in neural tracts can be visualized via diffusion MRI and FA value comparisons. FMRIB Software Library (FSL) is a collection of tools for magnetic resonance imaging data processing and analyses. In this thesis, a diffusion group comparison tool, Tract-Based Spatial Statistics (TBSS), is used to determine differences between two groups of diffusion images. The other group consists of spinal injury patients and the other of healthy volunteers. TBSS creates a skeleton model of neural tract structure, projecting the maximum FA values to the skeleton, and compares these skeletons by a two-sample statistical t-test. The program reports any areas with statistical differences according to their corresponding p-value. FA values of these two groups were tested for statistically significant differences, and large areas of lowered FA values were found in the patient group when compared to the control group. However, these large areas of lowered FA are present not because of the structural changes in neural tracts caused by the spinal injury, but because of age related effects on tract integrity. The implementation itself is a success even though the results are biased in a sense; areas of lowered FA are found in locations where such effect is expected to be seen from the effects of age. Thus the method can be deemed functional, but new analyses are required for correct results on effects of the injury on white matter structure.

Diffuusiomagneettikuvaus on suosittu ja monipuolinen kuvausmodaliteetti. Diffuusiokuvauksen avulla voidaan selvittää mikroskooppisia rakenteita aivoista, sekä muualta hermokudoksesta, joita ei muilla tavoin voida havaita. Nämä rakenteet saadaan näkyviin johtamalla diffuusiodatasta fraktionaaliseen anisotropiaan (FA) pohjautuvia kuvia. FA-arvo sekä -kartat voidaan rinnastaa aivojen valkean aineen hermoratarakenteeseen, jossa FA-arvo kuvastaa vesimolekyylin diffuusion isotrooppisuutta tietyssä kuvaelementissä. Hermoratojen rakenteeseen vaikuttavat useat neurologiset sairaudet, joiden vaikutusta voidaan tutkia FA-arvojen avulla, vertaamalla terveiden vapaaehtoisten ryhmän FA arvoja potilasryhmän vastaaviin. Oxfordin yliopiston kehittämä ohjelmisto, FMRIB Software Library (FSL), on kokoelma magneettikuvien käsittelyyn ja analyysiin luotuja työkaluja. Tässä diplomityössä keskitytään käyttämään ohjelmistoon kuuluvaa diffuusiokuvien ryhmävertailutyökalua: Tract-Based Spatial Statistics (TBSS). Työkalulla voidaan vertailla ryhmien välisiä tilastollisesti merkittäviä eroja FA arvoissa. Ohjelma luo jokaisen kohteen FA kartoista luurankomallit, jotka vastaavat hermoratakimppujen sijaintia sekä niissä olevaa maksimi FA arvoa. Näitä luurankomalleja vertaillaan kahden otoksen t-testin avulla, ja tuloksena ohjelma raportoi alueet joissa ryhmien välillä on tilastollisesti merkittäviä eroja FA arvoissa sekä niiden merkittävyyden p-arvon avulla. Diplomityön analyysissa käytettiin selkärankavammapotilaiden ryhmää, jota vertailtiin terveistä vapaaehtoisista koostuneeseen verrokkiryhmään. Käytettyjen ryhmien väliset FA arvot poikkesivat merkittävästi toisistaan; selkärankavammapotilailla oli laajoja alueita, joissa FA arvot olivat alempia verrokkiryhmään nähden. Tulokset olivat kuitenkin virheelliset, sillä laajat eroavat alueet johtuivat ennemmin iän vaikutuksesta hermoratojen rakenteeseen, kuin itse vammasta. Koska ryhmien ikäjakaumat erosivat toisistaan huomattavasti; potilasryhmän keskiikä oli huomattavasti verrokkiryhmää korkeampi, dominoi iän vaikutus siis saatuja tuloksia. Metodin soveltaminen neurologisiin tarkoituksiin oli kuitenkin onnistunut, sillä tuloksissa näkynyt iän vaikutus esiintyi alueilla joissa tapahtuu odotettavasti hermoratojen rappeutumista iän myötä. Oikeiden tulosten tuottamiseksi analyysi tulee kuitenkin ajaa uudelleen paremmin ikävastaavilla ryhmillä.