Creación de un atlas de la sustancia blanca cerebral para la extracción automática de fascículos axonales

Abstract

[EN] Several neurodegenerative diseases are straightly bounded to degeneration of brain white matter. In addition, microstructural and tissue organization changes impair water diffusion in an injured tissue. Therefore, access to nervous connections is crucial to evaluate the stage of the disease or the damages produced by a tumour. Thus, diffusion magnetic resonance imaging methods are powerful techniques for characterizing disease effects at microscopic level. Specifically, using principal directions of the diffusion, brain white matter connectivity patterns estimation may be obtained. This technique, called tractography, allows in vivo noninvasive visualization of the white matter tracts. Thereby, diffusion tensor imaging and tractography provide an excellent opportunity to investigate white matter structures. However, there is non automated methodology that allows regions of interest segmentation, so the white matter tracts extraction depends on the judgement of the health professionals. On the other hand, using diffusion tensor imaging, brain white matter atlas may be created, providing anatomical information equivalent to ancient atlas based on histologic tests and offering a common reference system for different subject evaluation. Thus, with the aim to create a brain white matter atlas and apply automatically regions of interest in new subjects, this final master project was developed, in a collaborative context between Universidad Politecnica de Valencia and Hospital Quiron Valencia. For this purpose, 2 methodologies for the brain white matter atlas creation were established. Subsequently, this atlas was obtained from a sample of 50 healthy subjects. Then, atlas-based segmentation was applied to define 8 of the regions of interest most commonly used in brain pathologies clinical settings. Subsequently, these regiones were automatically applied in a new group of healthy and diseased individuals, getting an optimal implementation of these regions and the consequent automatic extraction of the brain white matter fiber boundles. Thereby, the variability inherently involving manual segmentation was removed. This final master project, was introduced at the International Congress of the European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology (ESMRMB) 2013, from 3rd to 5th October in Toulouse. Fuerthermore, a scientific paper including an extended validation sample is finalizing to strengthen the results, and progress towards its integration into the clinical setting.

[ES] Ciertas patologías neurodegenerativas están estrechamente ligadas a la degeneración de la sustancia blanca cerebral; además, la difusión del agua dentro del tejido afectado se ve alterada por los cambios en la microestructura y organización tisular. Por ello, es crucial poder acceder a las conexiones nerviosas y evaluar el estadio de una enfermedad, la eficacia de un tratamiento o los daños ocasionados por un tumor. Así, los métodos de imagen de resonancia magnética con ponderación en difusión, son potentes técnicas para caracterizar los efectos de la enfermedad a nivel microscópico. En concreto, mediante las direcciones principales de la difusión se puede obtener una estimación de los patrones de conectividad de la sustancia blanca cerebral. Esta técnica, conocida como tractografía, permite visualizar los tractos de sustancia blanca in vivo y de forma no invasiva. Por ello, la imagen de tensor de difusión y la tractografía proporcionan una oportunidad excelente en la investigación de las estructuras de sustancia blanca. No obstante, no existe un procedimiento automatizado que permita segmentar regiones de interés, por lo que la obtención de los tractos de sustancia blanca está sujeta al criterio del profesional sanitario. Por otro lado, utilizando imagen de tensor de difusión se pueden crear atlas de sustancia blanca cerebral, que proporcionan información anatómica equivalente a los antiguos atlas basados en exámenes histológicos y ofrecen un sistema de referencia común para la evaluación de diferentes sujetos. Así, con el fin de crear un atlas de sustancia blanca cerebral y poder aplicar regiones de interés de forma automática a nuevos individuos, se ha desarrollado este trabajo final de máster, fruto del marco colaborativo entre la Universidad Politécnica de Valencia y el Hospital Quirón Valencia. Para ello, se han establecido 2 metodologías de creación de atlas de sustancia blanca cerebral. Posteriormente, se ha obtenido dicho atlas a partir de una muestra de 50 sujetos sanos. En él, se han segmentado 8 de las regiones de interés más utilizadas en el escenario clínico de las patologías cerebrales. Posteriormente, dichas regiones han sido aplicadas de forma automática a un nuevo grupo de individuos sanos y enfermos, obteniendo una aplicación óptima de dichas regiones y la consecuente extracción automática de los fascículos de sustancia blanca cerebral. Con ello, se elimina la variabilidad que inherentemente conlleva la segmentación manual. Este trabajo final de máster, ha sido presentado en el congreso internacional de la European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology (ESMRMB) 2013, del 3 al 5 de octubre en Toulouse. Además, se está finalizando un artículo científico que incluye una muestra de validación ampliada para afianzar los resultados obtenidos, y progresar hacia su integración en el entorno clínico.