Volumetrie

Z Zobrazování morfologie mozku v psychiatrii

Přejít na: navigace, hledání

Po prvních kvantitativních analýzách jako bylo hodnocení výšky/šířky či planimetrie (hodnocení plochy) oblasti zájmu v definovaném místě a zavedení snímání mozku pomocí navazujících řezů (contiguous slices) byla v 90. letech standardní metodou hodnocení morfologie mozku volumetrie, tj. hodnocení objemu oblasti zájmu (ROI – region of interest). Pomocí specializovaných programů je možné označit část MRI obrazu v trojrozměrném prostoru a posléze vypočítat její objem (velikost voxelu x počet označených voxelů). Tyto studie přinesly množství důležitých výsledků, zejména proto, že bylo možné testovat regionálně specifické hypotézy. Volumetrie je také stále zlatým standardem při validizaci dalších přístupů pro vysokou validitu vyznačených oblastí zájmu. Jejími výhodami je možnost jednoznačně interpretovat nálezy, relativně vysoká statistická síla (ve srovnání s ostatními morfometrickými metodami) i snadné slučování dat v meta-analýzách.

Omezení

Volumetrie má však svá omezení: mezi ně patří nutnost definice ROI, což je u některých struktur – zejména kortikálních s vysokou variabilitou – poměrně obtížné. Z těchto důvodů se preferuje reliabilita za cenu validity (pro výše zmíněné obtíže vytyčit celou ROI u všech subjektů, bývají hodnoceny jen ty části, které jde reprodukovatelně vyznačit ve většině případů). Např. hipokampus nelze jednoduše odlišit od amygdaly, stejně tak je u všech subjektů obtížné ohraničit stejnou část fornixu. Proto se často setkáváme s volumetrií „amygdalo-hipokampálního komplexu“, který zachycuje jak část amygdaly, tak hippokampu. Vzhledem ke značným odlišnostem těchto dvou struktur, jejich rozdílné funkci i zapojení v patogenezi různých onemocnění je pak zjevné, co znamená „obětovat validitu studie pro její reliabilitu“. Z těchto důvodů může být někdy obtížná interpretace nálezů, zejména však jejich replikace (neexistují totiž univerzálně respektované hranice jednotlivých ROI). Volumterie též není vhodná v případech, kdy změny morfologie přesahují jednotlivé ROI, resp. ostře ohraničené struktury mozku (není pak postižen celý vzorec morfologických změn), kdy změny nepostihují celé ROI (a představují jen její malou nesignifikantní část). Proto není volumetrie vhodná např. pro studium nekortexu – variabilita průběhu a tvaru gyrů a sulků, ale i poloha a rozsah cytoarchitektonicky definovaných oblastí (Brodmanovy oblasti) je značná. Kromě toho je vytyčování oblasti zájmu značně časově náročné, a subjektivní (přes snahu o dosažení vysoké intra- a interrater reliability je subjektivita jedním z faktorů limitujícím porovnání studií provedených v různých centrech); snaha obejít subjektivitu a pracnost metody pomocí automatického vyznačování ROI naráží na spornou validitu těchto přístupů.

Požadavky

Volumetrie vyžaduje co nejlepší reprezentaci oblasti zájmu v MR obraze, u každého subjektu stejně (závislost na externích hranicích při vytyčování ROI). Je potřeba co nejmenší objem voxelu (1x1x1 mm), žádné mezery mezi řezy („consecutive slices“; pokud je mezi řezy mezera, nevíme kudy struktura prochází a nedokážeme ji přesně vytyčit - výjimkou nejsou mezery 5 mm v prvních volumetrických studiích), stejný kontrast šedé a bílé hmoty v celém obraze + stejný sklon řezů oblastí (externí hranice). I volumetrie vyžaduje digitální předzpracování obrazu (korekce nehomogenity intenzity pole, afinní registrace do stereotaktického prostoru).

Technika volumetrie

Technika segmentace oblasti zájmu: Techniky segmentace využívají softwarové nástroje do různé míry, v zásadě jde o tzv. "manuální" a "automatické" metody. Automatické metody (samočinné označení oblasti zájmu) jsou prozatím spíše ve vývoji, za "zlatou" metodu se stále považuje pracná, ale reliabilní, manuální segmentace. Kromě toho, zde je segmentováno manuálně či automaticky je též důležitá zvolená rovina, ve které je oblast zájmu segmentována – pro jednotlivé struktury je jako vhodná považovaná různá rovina. Významným přínosem pro vytyčování oblastí zájmu bylo zavedení tzv. multiplanárního nebo trojrozměrného zobrazování, které umožňuje současný pohled na daný voxel ve více rovinách. Tato technika však vyžaduje dobré prostorové rozlišení ve všech třech směrech aby bylo možné rozeznat jednotlivé struktury v každé rovině.

Při hodnocení více subjektů je důležitá korekce interindividuálních rozdílů velikosti mozku: Při skupinovém srovnání je důležité korigovat rozdíly velikosti mezi jednotlivci. Jako korekční, regresní faktory se používají různé parametry: intrakraniální objem (ICV, zahrnuje mozek a likvorové prostory), celkový objem mozku (TBV, bez likvorových prostor), velikost (objem, plocha) laloku při volumetrii jednotlivých turů, plocha intrakraniálního prostoru v oblasti přední komisury (), výška, která významně koreluje s velikostí hlavy a byla použita pro korekci již v několika studiích. Další možností je použít regresní funkci ze souboru zdravých dobrovolníků.

Před vlastní segmentací je někdy pro potřeby volumetrie konkrétní struktury "nativní" MR obraz upravován: provádí se korekce non-uniformity obrazu ("non-uniformity correction"), obraz bývá přeorientován podle standardního prostoru (registrace), provádí se klasifikace tkání s následným ziskem tzv. masek (umožňují odečítání jednotlivých tkání z obrazu MRI, z oblasti zájmu), rekonstruuje se trojrozměrný obraz povrch mozku, tj. kortexu ("rendering").Podmínkou je snímání obrazu tak, aby bylo možné použít některé z dostupných vzorů, podle kterých je obraz upravován.

Korekce non-uniformity obrazu umožňuje vyrovnání rozdílu v intenzitách obrazu, které jsou dány nehomogenitou pole. Tak je v různých částech obrazu zobrazena jedna tkáň různými odstíny šedi. Tento krok je důležitý zejména pokud metodika využívá některé automatické pochody, které vycházejí z hodnot pixelů – např. automatická segmentace oblasti zájmu bývá ohraničena určitým rozmezím hodnot pixelů, což by bez korekce na nehomogenity pole mohlo vést k rozdílným výsledkům v různých částech obrazu.

Registrace obrazu do standardního prostoru znamená, že je obraz "přestavěn" podle souřadnicového systému použitého standardního prostoru. To umožňuje jednak použití standardních neuroanatomických atlasů, zejména však je u všech obrazů dosažené stejného úhlu, ve kterém je vyšetřovaný objem nařezán. Jako standardní prostor se nejčastěji používá Talairachův prostor a tzv. MNI prostor. Talairachův prostor (Talairach and Tournoux 1988) byl zkonstruován na základě sekce mozku 60-ti leté ženy, všeobecně se považuje za spolehlivý v případě kortikálních struktur a méně spolehlivý v případě struktur subkortikálních. MNI prostor je založen na zprůměrování 305 MRI obrazů mozku zdravých jedinců, pochází z McConnelova centra zobrazování mozku montrealského neurologického institutu McGillovy univerzity. Obecně se používá tzv. lineární a nelineární registrace: při lineární transformaci obrazu dochází jen přizpůsobení polohy jeho otočením, při nelineární transformaci dochází i ke různým změnám jednotlivých pixelů. Pro potřeby volumetrie je vhodnější lineární registrace. Registrace je vhodná tehdy, pokud se metoda segmentace opírá o hranice dané vzdálenými externími strukturami, které mohou být při různém úhlu zobrazení zobrazeny odlišně. Tak také mohou být stejné struktury v různých mozcích segmentovány různě, což značně snižuje reliabilitu metody.

Klasifikace tkání znamená automatické přiřazení hodnot pixelů v obrazu ke třem základním tkáním – WM, GM, CSF. Je zřejmé, že jí musí předcházet nějaký způsob korekce non-uniformit obrazu. Tato metoda umožňuje několik výstupů: jednak je možné počítat objemy jednotlivých tkání, jednak je možné použít klasifikované tkáně k tvorbě tzv. "masek".

Maskování znamená manipulaci s obrazem pomocí zkonstruovaných masek – části obrazu je možné takto odečíst, buď ty, co odpovídají masce nebo naopak ty, co jí neodpovídají. Tak je možné získat obraz mozku bez okolních struktur s výpočtem jeho objemu. Dále je možné z oblasti zájmu odečíst všechny pixely, které reprezentují jinou tkáň, než tu, kterou vyšetřujeme – lze tak např. hodnotit pouze objem šedé hmoty v kortikální struktuře nebo vyloučit nechtěné zavzetí jiných struktur do oblasti zájmu při segmentaci ve složitých anatomických oblastech (např. v blízkosti likvorových prostor ap.).

Rendering, obecně "volume rendering", znamená, že se konstruuje trojrozměrný obraz oblasti zájmu. Grafická technika může být zajímavá při prezentaci studovaných struktur, je jí však využíváno i při měření objemu kortikálních oblastí, kdy je třeba mít povědomí o průběhu jednotlivých gyrů a sulků.

[Obr. SEGMENTACE HIPOKAMPU]

Osobní nástroje