MNPS version 10.36.00: DTI, DWI, FA and Tractography support.

Curso MNPS 2017.

Recursos para o tratamento de imagens dMRI, DWI, DTI e tractografias.

São Paulo. 23 de Junho, 2017.

Armando Alaminos Bouza.Equipe de desenvolvimento MNPS-CAT3D.

Mevis Informática Médica LTDA.

A imagem por ressonância magnética de difusão (dMRI) é uma modalidade, in vivo, não invasiva, que utiliza a difusão das moléculas de água no tecido para inferir a arquitetura de algumas estruturas anatômicas.

Hoje, a aplicação mais importante de dMRI é a reconstrução de fibras de substância branca cerebral, também conhecidas como tractos. Na literatura inglesa procurar como “brain fibers” ou “fiber tracks”.

Estas fibras são constituídas por conglomerados de axônios com percursos paralelos e muito próximos.

As moléculas da água, na substância branca apresentam difusão anisotrópica, com marcado predomínio da difusão no sentido paralelo às fibras.

Ilustração da suposta origem da anisotropia na difusão das moléculas de água nas fibras de substância branca. Tomado de Christian Beaulieu, NMR in Biomedicine. 2002; 15:435-455.

A dMRI utiliza um gradiente de campo magnético pulsado aplicado sobre a amostra estudada. Se o gradiente aplicado em um voxel for paralelo com a direção de máxima difusão das moléculas de água existe uma perda de sinal máxima é mensurável. A perda de sinal também depende da duração dos gradientes de campo magnético.A soma dos parâmetros que geram perda de sinal por difusão são quantificados pela variável denominada “b-value”.

Einstein no seu estudo do movimento Browniano, achou uma equação que relaciona o provável percurso (raiz média quadrática) da particular com o tempo:

S2 = 2 D t (onde D: “Coeficiente de Difusão” [mm2/s] )

Conhecida a perda de sinal e o valor do b-value aplicado podemos determinar o valor aparente de “D” na equação. Mas isso é valido para uma dimensão ou no caso de difusão absolutamente isotrópica.

No caso da dMRI o valor de “D” que conseguimos não é apenas uma expressão da difusividade do tecido. O valor resultante depende das condições do experimento, tais como tempo de difusão, intensidades dos campos aplicados, etc. Por isso o termo utilizado para D na dMRI é “coeficiente de difusão aparente” (Apparent Diffusion Coefficient ou ADC nas expressões matemáticas).

A difusão é fundamental para explicar a evolução dos sistemas com gradientes de concentração de um elemento. Segundo a primeira lei de Fick:

Onde J é densidade de fluxo sobre o eixo x, e C concentração de um tipo de moléculas.

A imagem de MRI pesada por difusividade se obtém de uma T2 com adição de dois pulsos de gradiente para amostragem de difusão. Ambos pulsos na mesma direção e separados por um pequeno tempo. Este método é denominado “Stejskal-Tanner diffusion Encoding”.Pode ser provado que para uma direção, a perda de sinal derivada da difusividade das moléculas de água , com o “Stejskal-Tanner diffusion Encoding” é:

Onde :Si é o sinal na condição de Stejskal-Tanner, S0 é o sinal sem pulso de gradiente para difusão,b é o “b-values”ADCi é o coeficiente de difusão aparente na direção i do gradiente aplicado.

Se continuamos considerando um meio isotrópico, do ponto de vista da difusão, a densidade de fluxo em 3D pode ser representado como:

Observe que tanto o fluxo J como o gradiente de concentração tem tratamento vetorial. J e C são vetores em 3 dimensões (3). O operador matemático que representa um gradiente é , sendo:

C = i ·∂ C/∂ x + j ·∂ C/∂ y + k ·∂ C/∂ z (i,j,k : vetores unitários)

Em geral, para meios não isotrópicos a relação entre o vetor fluxo e o vetorconcentração toma a forma:

Onde D agora é uma matriz 3x3 que equivale a um tensor de ordem (rank) 2:

A probabilidade de difusão das moléculas de água em um voxel do tecido é tridimensional, mas cada “b-value” aplicado apenas nos permite medir a difusão paralela (ou antiparalela) com a direção do gradiente. Isto obriga a aplicar múltiplas direções do gradiente se necessitamos reconstruir a distribuição espacial da probabilidade de difusão em cada voxel.

Sequência DWImostrando o mapa de sinal para [b=0] e [b != 0] para distintos ângulos do gradiente aplicado.

Cada uma destas aquisições permite determinar o ADC em uma direção para cada voxel usando o modelo de Stejskal-Tanner.

Uma sequência DWI representa um volume 4D !

Embora o tensor de difusão apresente 9 componentes, felizmente é uma matriz simétrica,

Ou seja Dij == Dji

Com isso o número de incógnitas no tensor cai a 6.

Para determinar o tensor em cada voxel de uma sequência DWI necessitamos resolver o Sistema de equações lineares simultâneas que segue:

Onde N é o número de medidas com ângulos diferentes do gradiente. Xi, Yi, Zi são os componentes do gradiente na medida i sobre cada eixo, si é o resultado de (Si/S0) e por ultimo, b o b-values (que pode ser diferente para cada medida).O número mínimo de medidas com ângulos diferentes é 6. Mas para atingir boa qualidade nunca se devem fazer menos que 12 direções, com maior número de medidas melhoramos a estatística e consequentemente a qualidade do tensor.

Sendo que em geral sempre contamos com mais do que 6 medidas, é preferível resolver D por mínimos quadrados, para cada voxel.

Para mensurar se existe anisotropia em um voxel descomponhamos o tensor em seus autovectores e autovalores (eigenvectors, eigenvalues). Se identificamos os autovalores como , o tensor de difusão pode ser representado pelo elipsoide:

Se 1, 2, 3, são notoriamente diferentes, existe grande anisotropia nesse voxel e isso indica a presença de fibras.

Uma métrica muito difundida da anisotropia do ADC é a “Fractional Anisotropy” , geralmente representada como FA:

FA =

< >

Onde :

FA é uma escalar, ela propriamente não contem direção.

Como a FA está associada ao tensor de difusão, que contem informação direcional, o mais comum para representar mapas ou imagens de FA é utilizar cores para indicar direção predominante da difusão (direção do autovetor principal).

A codificação das cores segue o padrão:

R = |e1x| FAG = |e1y| FAB = |e1z| FA

Exemplo de um mapa de FA no MNPS, mostrando as curvas de isodose de radiocirurgia e sua relação com as fibras subjacentes.

No momento que escrevemos esta aula, o importador DICOM de Mevis (dicom.exe versão 5.28.05) tem capacidade para importar imagens de dMRI (ou DWI), montar um volume 4D, resolver o tensor de difusão para cada voxel e exportar imagens (mapas) de FA codificados com pixel RGB para indicar direcionalidade, ou seja, criar imagens “DTI”.Observe a entrada do menu que invoca este recurso: “Tensor /Fiber/FA”

Segundo NAMIC (National Alliance for Medical Image Computing), o suporte a DWI dentro das imagens DICOM continua sendo “vendor specific” e as recomendações da norma DICOM não são seguidas para salvar dados de vetores de gradiente e “b-values”.

Isto representa um sério problema, pois as vezes encontramos imagens DWI das quais não conseguimos extrair os dados necessários para resolver o tensor de difusão.

Exemplo de conjunto dos dados de uma aquisição DWI com 12 direções do gradiente.Tomado de um estudo com MRI da Siemens.

Ferramentas “open source” para processar DWI para gerar DTI e Tractografia:

- 3DSlicer - Windows, Mac OS X, Linux, https://www.slicer.org/

- FreeSurfer - Mac OS X, Linux , https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/

- FSL - Mac OS X, Linux , Window(com uma VM rodando Linux). https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FSL

- BrainSuite - Mac OS X, Linux , Window , Mac OS X, Linux , Window

- DSI Studio - Windows, Mac OS X, Linux, http://dsi-studio.labsolver.org/

Why DSI Studio? The deterministic fiber tracking method in DSI Studio has achieved the highest "valid connection" examined by an open competition (see the valid connection achieved by ID:3 at http://www.tractometer.org/ismrm_2015_challenge/results) among 96 methods submitted from 20 different research group around the world. The first 3 highest valid connection (VC) were all conducted in DSI Studio.

O MNPS pode importar tractografias em formato .trk ou .obj de qualquer um destes sistemas, mas neste curso vamos mostrar exclusivamente o DSI Studio.

DSI Studio is developed by Fang-Cheng (Frank) Yeh, [email protected]

Department of Neurological Surgery.University of Pittsburgh

Pittsburgh, PA 15213USA.

Supported by:Advanced Biomedical MRI Lab, National Taiwan University Hospital.

Cognitive Axon Lab, Carngie Mellon University.Fiber Tractography Lab, University of Pittsburgh.

O DSI Studio é um sistema muito fácil de instalar. Apenas precisa fazer o download do pacote. No caso de sistemas Windows é distribuído em um pacote ZIP.

Descompacte o ZIP e copie todo o conteúdo em uma pasta.Por exemplo, crie uma pasta :

C:\DSIstudio\

Depois crie um atalho para o executável principal, que é:

dsi_studio.exe

Pronto para uso.

Execute o DSI Studio e dê um click em “STEP1:…”

Navegue pelas pastas até chegar naquela que contém a sequência DWI.Selecione as primeiras imagens (é bom que estejam com .dcm !)

O DSI Studio informa quantas imagens formam parte da sequência. Aceite que abra todas.

Ao abrir estajanela, click emOK.

Click OK em outrajanela que informa que o volume foi criado.

Agora pode dar CLICK em STEP2. Selecione o arquivo .src desejado.

Cria uma máscara para tentareliminar tecidos fora do encéfalo, ossos, etc.

Estando satisfeito CLICK em“Step 2: Select Reconstruction method”

O método de reconstruçãodefault é DTI, que é nossoobjetivo.

CLICK em “Run Reconstruction”, na parte inferior direita.

Agora deve aguardar peloprocessamento, pode demoraraté minutos se o seu PC for lento.

Quando termina abre umajanelinha que informa: “FIB file created”. Click em OK e feche a janela “Reconstructions”

CLICK em STEP3:

Selecione o arquivo .src.gz.dti.fib desejado

A seguir se abre a janela de trabalho parapartindo do mapa de FA e do tensor criar ostractos/fibras.

Extender“Tracking Parameters”

Para integração com MNPS a escolha de salvar os tractos emformato .trk, sem compactar com gzip, é recomendada.

Após um CLICK em“Fiber Tracking” as fibras são mostradas

Se as fibras foremsatisfatórias selecione no menu “Tracks”, “Save Tracks” e depois“Save Current Tracks As”

O importador Dicom da Mevis vai procurar o arquivo “DTI.TRK” na hora de importar as imagens. Deve estar na pasta com as imagens.

Agora arraste uma imagem dicom da sequência DWI e solte no atalho do MNPShell.Selecione “For Virtual Siducials Mode”

No menu “Options” selecione “Tensor/Fiber/FA”

O Dicom importer cria um volume NIFTI 4D em uma subpasta, que normalmente é TMP000, e esperaconfirmação para abrir o NIFTI. Antes de confirmar, copie o arquivo DTI.TRK nessa pasta.

Com isso o importador Dicom de Mevis carrega os tractos junto com as imagens (normalmente as que tem b-value nulo, que tem sinal mais alto) e exporta para o MNPS os tractos em um arquivo com extensão .mevtra

Nesta data ainda o processo não é simples e apresenta váriasdificuldades que devemos resolver manualmente. Fundamentalmentepor não ter acesso aos TAGs privados de b-value e vetoresgradiente dos fabricantes. Nos próximos meses esperamosmelhorar e simplificar esteprocesso.

Para criar as imagens de FA é bem mais simples. Após criado o volume NIFTI 4D e carregado, volte a selecionar“Tensor/Fiber/FA”

Recomendo fazer um “Rename” para evitar confusão com a imagem original de DWI

Se cria uma máscara para isolar o tecido cerebral de outras parte. Pode modificar a máscara com teclas de flechas e percorrer as imagens com rodinha do mouse.

Termine com Tecla F10

O importador Dicom criaoutro folder e colocas as imagens de Fractional Anisotropy (FA). Que devemser tratadas no MNPS como“Virtual Fiducials”.

Bibliografia:

1- Mukherjee P., et.al. ”Diffusion Tensor MR Imaging and Fiber Tractography: Theoretic Underpinnings” . AJNR, Apr 2008.2-Beaulieu C., “The basis of anisotropic water diffusion en the nervous system – technical review”. NMR Biomed 2002;15:435-455.3-Minati Ludovico, et.al. “Physical Foundations, Models, and Methods of Diffusion Magnetic Resonance Imaging of the Brain: A Review “. Wiley InterScience. 2007.4 – Mori Susumu, et.al. “Fiber tracking: principles and strategies – a technical review. NMR Biomed. 2002; 15:468-480.5- NAMIC: “National Alliance for Medical Image Computing” . Referências úteis: https://wiki.na-mic.org/wiki/Overview , https://wiki.na-mic.org/wiki/NAMIC_Wiki:DTI:DICOM_for_DWI_and_DTI , https://wiki.na-mic.org/wiki/NAMIC_Wiki:DTI:Nrrd_format .