Posouzení diagnózy a prognózy pacientů s Alzheimerovou chorobou nebo Parkinsonovou chorobou s kognitivní poruchou pomocí difúzní MRI

V současnosti Alzheimerovu chorobu (AD) a Parkinsonovu chorobu (PD) diagnostikují především neurologové, a to na základě klinických příznaků. Pro jejich diagnostiku však neexistují žádná objektivní kritéria. Ačkoli se magnetická rezonance (MRI) často používá ve spojení s klinickým úsudkem, snímky se většinou používají k eliminaci jiných onemocnění, spíše než k potvrzení diagnózy. Jiné zobrazovací metody, jako je polohová emisní tomografie nebo počítačová tomografie, mohou pomoci v diagnostice AD ​​a PD, ale mají škodlivé účinky na lidský organismus.

Difúzní magnetická rezonance, a zejména zobrazení difuzního tenzoru, se často používají při hodnocení změn v konektivitě v centrálním nervovém systému. Vzhledem k tomu, že je neinvazivní a nezahrnuje záření, je difúzní MRI vhodná pro longitudinální studie. S dobrými výsledky se používá pro hodnocení hustoty a průřezu vláken u mnoha onemocnění, včetně epilepsie, roztroušené sklerózy a mozkových nádorů. Z difuzní MRI lze získat několik měření, včetně frakční anizotropie a střední, radiální a axiální difuzivity. Změny pozorované při difúzní MRI souvisejí se změnami v obsahu vody uvnitř i vně buněk, takže zvýšení difúzního koeficientu by mohlo odrážet zvýšení permeability buněčné membrány, které lze připsat buněčné smrti a prasknutí. Vyšší difúzní koeficient může naznačovat větší smrt neuronů. Proto pomocí difuzní špičatosti může být vyšetřovatel schopen zlepšit diagnostiku PD.

Z výzkumu AD výzkumník zjistil, že difúzní koeficient pacientů s mírnou kognitivní poruchou a AD je významně vyšší než u kontrolních pacientů. Výzkumník provede analýzu 90 oblastí mozku, včetně gyrus fusiforme, hippocampu, parahippokampu a cingula. Bylo pozorováno, že uvedené oblasti mají rozdíly v průměrné difuzivitě pro pacienty s AD a ty, u kterých je riziko AD, ve srovnání s normálními kontrolami. V předchozích studiích byly pozorovány překryvy mezi oblastmi, kde se průměrná difuzivita zvyšuje, a oblastmi, kde se oblasti mozku zmenšují, ale existuje více oblastí a větší oblasti, kde se koeficient difuze zvyšuje. Střední difuzivita proto může být vhodnějším klinickým indexem než současná metoda objemu mozku. Kromě toho existuje korelace mezi zvýšenou střední difuzivitou a závažností mírné kognitivní poruchy nebo AD. Ukládání amyloidu je konzistentní s progresí onemocnění, což dále podporuje to, že střední difuzivita může být použita k vyjádření progrese mírné kognitivní poruchy a AD.

Vyšetřovatel plánuje použít komprimované snímání ke zvýšení rychlosti difúze MRI. To zahrnuje předzpracování obrazu, získávání pozorování Compressed Sensing, přestavbu modelu a rekonstrukci algoritmu. Vyšetřovatel také plánuje překonat současná omezení analýzy oblasti zájmu. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je voxelová analýza, ta má však omezení způsobená normalizací obrazu do prostoru šablony a možné problémy v traktografii způsobené rotací nebo deformací obrazu. Kromě toho použití šablony specifické pro studii brání tomu, aby byly výsledky dostupné v Brodmannových nebo Talairachových souřadnicích. Nejdůležitější je, že analýza voxelů není založena na oblastech mozku, takže je obtížné určit vlastnosti každé oblasti a podle našeho algoritmu by velké množství voxelových dat výrazně snížilo rozlišení statistik a způsobilo problémy ve statistické analýze. . Proto musí vyšetřovatel použít běžný standardní prostor a vyvinout vhodnou zobrazovací techniku.

Vyšetřovatel se rozhodl použít automatické anatomické značení (AAL), protože se jedná o běžně používaný systém používaný v neurovědním výzkumu. Vyšetřovatel také používá šablonu Montreal Neuroscience Institute 152 Template (MNI152) jako standardní šablonu. Při zobrazování a zpracování celého mozku výzkumník používá afinní transformaci, která se běžně používá pro MRI a difúzní MRI. To zahrnuje Camino, FSL a SPM. Výzkumník bude studovat, jak stárnutí zdravého mozku mění difúzní MRI, a porovnává stárnutí u mužů a žen.

Vyšetřovatel také použije Hluboké učení ke zvýšení citlivosti a specifičnosti a ke zlepšení přesnosti klasifikace a diagnostiky pomocí předzpracování dat alokace vzorků dat a návrhu hluboké neuronové sítě.

Pomocí AAL bude provedena parcelace celého mozku, aby se získaly difúzní MRI informace o oblastech v mozku. Postižené regiony budou identifikovány a analyzovány. Výzkumník doufá, že difúzní MRI využívající oblasti celého mozku lze použít pro diferenciální diagnostiku a pro identifikaci oblastí, které mají vysokou korelaci s klinickou závažností, a pro přesnou diagnostiku a prognózu onemocnění, aby sloužila jako reference pro klinické lékaře.

Výzkumník se snaží použít difuzní MRI k posouzení kognitivních funkcí a zhodnocení, zda se zhorší u pacientů s neurodegenerativními onemocněními. Kromě toho výzkumník doufá, že použije difuzní MRI k určení závažnosti onemocnění a prognózy. Zhoršení neurodegenerace a kognitivních schopností přináší zvýšenou úmrtnost a horší kvalitu života. Vztah mezi výsledky difuzní MRI a závažností onemocnění může poskytnout objektivní metodu, která lékařům umožní diagnostikovat tato onemocnění s větší jistotou a dříve při nástupu onemocnění, ještě před zhoršením symptomů.

Studie bude dokončena ve třech fázích po dobu tří let. V prvním roce výzkumník doufá, že vytvoří optimální vysoce kvalitní schéma snímání komprese obrazu a proces obnovy obrazových dat pro difúzní MRI. Výzkumník také doufá, že vyvine optimální metodu pro parcelaci mozku a využije hluboké učení ke zlepšení diagnózy pacientů s mírnou kognitivní poruchou.

Ve druhém roce výzkumník doufá, že zavede proces pro predikci prognózy pacientů s typickou a atypickou PD pomocí hlubokého učení. Výzkumník také doufá, že dokončí naše hodnocení používání hlubokého učení pro diagnostiku mírné kognitivní poruchy.

Ve třetím roce si zkoušející klade za cíl dokončit vývoj metody pro predikci prognózy pacientů s typickou a atypickou PD. Výzkumník také zavede a dokončí naši metodu používání hlubokého učení k vyhodnocení, zda se u pacientů s mírným kognitivním vývojem rozvine AD. Dále vyšetřovatel doplní uživatelské rozhraní pro zpracování obrazu.