Introduction. Multidimensional or biophysical modelling approaches are actively used to examine the complex microstructure of brain matter in diffusion-weighted MRI, where tissue structures are schematically simplified and divided into separate regions to calculate the diffusion values. This approach demonstrates greater specificity when compared with the widely used diffusion tensor MRI (DT-MRI) and its metrics.
The aim of the study was to compare DT-MRI and the biophysical diffusion models, and to evaluate their possible use in a more precise studying of the affected white matter in cerebral small vessel disease (CSVD).
Materials and methods. We examined 96 patients (including 65 women; mean age 61.0±6.6 years) with CSVD and 23 healthy volunteers, comparable in age and gender (including 15 women; mean age 58±6 years). The patients were divided into 3 groups according to the severity of white matter disease as measured using the Fazekas scale. All study subjects underwent a brain MRI (3 T) with diffusion-weighted MRI (b = 0, 1000 and 2500 sec/mm2, 64 gradient directions) followed by the data processing; we obtained DT-MRI metric maps, as well as white matter tract integrity model and model using the spherical mean technique.
Results. Significant differences were found between the study groups (except groups F0 and F1) in all metrics when the overall value of the white matter skeleton was examined (p £ 0.05): there was a decrease in tissue anisotropy and axonal density in the white matter, as well as increased intra- and extra-axonal coefficients with more severe white matter disease. Analysis of individual white matter regions showed that the radial diffusion values had greater intergroup differences than the axial diffusion values in the corpus callosum (particularly, in the body and splenium).
Conclusion. Biophysical models allow us to evaluate white matter disease in patients with CSVD using structural tissue features and indirect measures of intra- and extracellular diffusion. To clarify and increase the statistical significance of the obtained results, it is necessary to analyse the diffusion metrics using data from a larger patient sample.
Введение. Для учета сложной микроструктуры вещества головного мозга в диффузионной МРТ активно используются подходы мультипространственного или биофизического моделирования — схематического упрощения структуры тканей с разделением ее на несколько пространств и расчетом показателей диффузии. Данный подход демонстрирует большую специфичность по сравнению с широко применяемой диффузионно-тензорной МРТ (ДТ-МРТ) и ее метриками.
Цель исследования — сопоставление ДТ-МРТ и биофизических диффузионных моделей с оценкой возможного их применения для более детального исследования поражения белого вещества при церебральной микроангиопатии (ЦМА).
Материал и методы. Обследовано 96 пациентов (из них 65 женщин; средний возраст 61,0±6,6 года) с ЦМА и 23 здоровых добровольца, сопоставимых по возрасту и полу (из них 15 женщин; средний возраст 58±6 лет). Пациенты разделялись на 3 группы по степени тяжести поражения белого вещества по шкале Fazekas. Всем обследуемым проводилась МРТ головного мозга (3 T) с диффузионной МРТ (b=0, 1000 и 2500 c/мм2, 64 градиентных направления) с последующей обработкой данных и получением карт метрик ДТ-МРТ, а также модели целостности трактов белого вещества и модели с использованием техники сферического усреднения.
Результаты. При исследовании общего значения скелетона белого вещества головного мозга выявлены достоверные различия между группами обследуемых (кроме групп F0 и F1) для всех метрик (p ≤ 0,05): снижение анизотропии тканей и плотности аксонов в белом веществе, а также повышение внутри- и внеаксональных коэффициентов по мере прогрессирования поражения белого вещества. При анализе отдельных регионов белого вещества показатели радиальной диффузии отличались большим числом межгрупповых отличий в мозолистом теле (особенно в его корпусе и валике), чем показатели аксиальной диффузии.
Заключение. Биофизические модели позволяют оценивать поражение белого вещества у пациентов с ЦМА, используя структурные особенности тканей и косвенные показатели внутри- и внеклеточной диффузии. Для уточнения и повышения статистической значимости найденных результатов необходимо провести анализ диффузионных метрик с учетом клинических данных на большей выборке пациентов.