采用双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术重建语言和运动相关的纤维束用以指导神经外科手术

发布时间：2017-07-27 16:22

  本文关键词：采用双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术重建语言和运动相关的纤维束用以指导神经外科手术

  更多相关文章： 弓装束 皮质脊髓束 弥散张量成像 瘤周水肿 纤维交叉 约束球形反褶积 双张量无损卡尔曼滤波 纤维束成像术 神经外科手术计划

【摘要】：研究背景：弥散张量纤维束成像术越来越广泛地被运用于术前追踪脑肿瘤患者脑内白质纤维束以避免术中损伤这些重要的纤维束从而减少术后的神经功能障碍。然而,瘤周水肿效应和纤维分叉效应对传统的基于单张量模型的纤维束成像术来说是一个巨大的挑战。本研究的目的在于展示一种先进的纤维束成像算法,这种算法采用基于双张量无损卡尔曼滤波的方法进行纤维束成像,它可以在脑肿瘤患者中追踪通过瘤周水肿区和纤维分叉区的神经纤维束,达到良好的纤维束成像效果。方法：在本论文中,我们设计了3个课题对双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术的表现进行评价,以确定其在对神经外科手术计划中涉及的语言和运动相关白质纤维束的重建能力。在课题1中,我们回顾性地选择了10个脑肿瘤患者进行研究,这些患者都是右利手并且肿瘤的位置都位于左脑半球语言功能区附近。所有的患者都接受了3.0 T的常规磁共振,功能磁共振和弥散张量成像(31个方向)扫描。然后我们采用单张量流线纤维束成像术和双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术进行纤维束追踪。再采用一种基于2个感兴趣区的纤维束选择方法对弓装束进行选择。接着通过解剖比对和体积定量的方法来比较这两种算法在重建弓装束的表现。在本课题中,功能磁共振用于确定语言功能区的主导半球。在课题2中,我们回顾性地选择了10个脑肿瘤患者进行研究,这些患者的肿瘤位置都位于运动功能区附近并有明显的瘤周水肿。所有的患者都接受了3.0 T的常规磁共振,功能磁共振和弥散张量成像(31个方向)扫描。然后我们采用单张量流线纤维束成像术和双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术进行纤维束追踪。再采用一种基于2个感兴趣区的纤维束选择方法对皮质脊髓束进行选择。接着同样通过解剖比对和体积定量的方法来比较这两种算法在重建皮质脊髓束的表现。在本课题中,功能磁共振用于确定功能性运动纤维束。在课题3中,我们回顾性地选择了8个脑肿瘤患者进行研究,这些患者都是被确定需要行脑肿瘤切除术。所有的患者都接受了3.0 T的常规磁共振和弥散张量成像(31个方向)扫描。为了比较约束球形反褶积纤维束成像术和双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术这两种算法在追踪皮质脊髓束之间的表现。我们对这些患者的弥散张量成像的数据都采用了两种算法进行纤维束重建。最后我们通过解剖对比和纤维束定量的方法对皮质脊髓束进行了结果分析。结果：在课题1中,我们的结果显示采用单张量流线纤维束成像术,10个患者中有4个显示弓状束被破坏中断,另外的6个患者只能追踪到的弓状束只包括少量的纤维。相反,在同样的这些患者中,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术在所有患者中成功地追踪到所有穿过瘤周水肿区的弓状束,而且采用双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术所追踪到的弓状束体积(11685.420±6970.921,均数±标准差)大于采用单张量模型流线纤维束成像术所重建的体积(2201.850±2294.674,均数±标准差),结果具有显著性差异(p0.05)。在课题2中,我们的结果显示单张量流线纤维束成像术没办法完全追踪到瘤周水肿区的纤维束,并且只能追踪投射到运动功能区内侧部分的皮质脊髓束。相反,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术在瘤周水肿和纤维交叉效应的影响下,仍然成功地追踪到呈扇形的皮质脊髓束。另外,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术所追踪到的纤维束更接近运动功能磁共振的激活区,这提示采用这种方法对追踪投射到运动皮层的皮质脊髓束的敏感性要比单张量流线纤维束成像术要高。而且采用双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术所追踪到的皮质脊髓束体积(79858.780±13719.452,均数±标准差)要大于采用单张量流线纤维束成像术所重建的体积(7396.180±2662.399,均数±标准差),结果具有显著性差异(p0.05)。在课题3中,我们的结果显示全脑纤维束种植结合基于解剖感兴趣区或功能磁共振激活区进行纤维束选择的时候,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术对皮质脊髓束的追踪效果优于约束球形反褶积纤维束成像术。相反,当采用脑干感兴趣区作为纤维种植区并采用功能磁共振激活区作为纤维束追踪终止区进行纤维束成像,或者以功能磁共振激活区作为纤维种植区并采用脑干感兴趣区作为纤维束追踪终止区进行纤维束成像,约束球形反褶积纤维束成像术对皮质脊髓束的纤维追踪效果优于双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术。同时,与双张量卡尔曼滤波纤维束成像术相比,我们发现约束球形反褶积纤维束成像术更容易追踪到假阳性纤维。另外,我们发现采用双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术的所重建的纤维形态上很平滑,而采用约束球形反褶积纤维束成像术所重建的纤维束显得很曲折。最后,当需要进行神经外科手术计划的时候,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术所重建的纤维束在可视性方面的兼容性优于约束球形反褶积纤维束成像术。结论：在课题1中,我们研究表明在脑肿瘤患者的瘤周水肿区,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术能够比单张量流线纤维束成像术追踪到更大体积的弓装束。在课题2中,我们研究表明在脑肿瘤患者中,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术能够追踪到穿越瘤周水肿区和纤维交叉区的纤维束,从而比单张量流线纤维束成像术追踪到更加完整的皮质脊髓束。在课题3中,我们研究发现对于约束球形反褶积纤维束成像术和双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术在重建皮质脊髓束方面的差异,要取决于研究者所采用的纤维种植法和纤维束选择策略。总的来说,如果应用于神经外科手术计划,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术在重建皮质脊髓束的表现优于约束球形反褶积纤维束成像术。综上所述,对于神经外科手术计划来说,双张量无损卡尔曼滤波纤维束成像术在重建语言和运动相关白质纤维束的能力优于单张量流线纤维束成像术或约束球形反褶积纤维束成像术,这种先进的纤维束成像技术具有应用于临床的潜力。
【关键词】：弓装束 皮质脊髓束 弥散张量成像 瘤周水肿 纤维交叉 约束球形反褶积 双张量无损卡尔曼滤波 纤维束成像术 神经外科手术计划
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R445.2;R739.41
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-12
• Chapter 1 Reconstruction of the arcuate fasciculus for surgical planningin the setting of peritumoral edema using two-tensor unscented Kalmanfilter tractography12-37
• 1. Introduction12-14
• 2. Materials and Methods14-18
• 3. Results18-25
• 4. Discussion25-29
• 5. Conclusions29-30
• References30-37
• Chapter 2 Corticospinaltract modeling for neurosurgical planning bytracking through regions of peritumoral edema and crossing fibers usingtwo-tensor unscented Kalman filter tractography37-61
• 1. Introduction37-38
• 2. Materials and Methods38-43
• 3. Results43-52
• 4. Discussion52-55
• 5. Conclusions55
• References55-61
• Chapter 3 Differences between constrained spherical deconvolution andtwo-tensor unscented Kalman filter tractography in tracing thecorticospinal tracts using clinical diffusion MRI61-84
• 1. Introduction61-62
• 2. Materials and Methods62-70
• 3. Results70-78
• 4. Discussion78-81
• 5. Conclusions81
• References81-84
• Abbreviations84-85
• Publications85-87
• Acknowledgements87-89
• Certificate of review in statistic analysis89

【共引文献】

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本文编号：582314