Threshold Selection Criteria for Quantification of Lumbosacral Cerebrospinal Fluid and Root Volumes from MRI

BACKGROUND AND PURPOSE: The high variability of CSF volumes partly explains the inconsistency of anesthetic effects, but may also be due to image analysis itself. In this study, criteria for threshold selection are anatomically defined. METHODS: T2 MR images (n = 7 cases) were analyzed using 3-dimentional software. Maximal-minimal thresholds were selected in standardized blocks of 50 slices of the dural sac ending caudally at the L5-S1 intervertebral space (caudal blocks) and middle L3 (rostral blocks). Maximal CSF thresholds: threshold value was increased until at least one voxel in a CSF area appeared unlabeled and decreased until that voxel was labeled again: this final threshold was selected. Minimal root thresholds: thresholds values that selected cauda equina root area but not adjacent gray voxels in the CSF-root interface were chosen. RESULTS: Significant differences were found between caudal and rostral thresholds. No significant differences were found between expert and nonexpert observers. Average max/min thresholds were around 1.30 but max/min CSF volumes were around 1.15. Great interindividual CSF volume variability was detected (max/min volumes 1.6-2.7). CONCLUSIONS: The estimation of a close range of CSF volumes which probably contains the real CSF volume value can be standardized and calculated prior to certain intrathecal procedures

DWI and complex brain network analysis predicts vascular cognitive impairment in spontaneous hypertensive rats undergoing executive function tests

The identification of biomarkers of vascular cognitive impairment is urgent for its early diagnosis. The aim of this study was to detect and monitor changes in brain structure and connectivity, and to correlate them with the decline in executive function. We examined the feasibility of early diagnostic magnetic resonance imaging (MRI) to predict cognitive impairment before onset in an animal model of chronic hypertension: Spontaneously Hypertensive Rats. Cognitive performance was tested in an operant conditioning paradigm that evaluated learning, memory, and behavioral flexibility skills. Behavioral tests were coupled with longitudinal diffusion weighted imaging acquired with 126 diffusion gradient directions and 0.3 mm(3) isometric resolution at 10, 14, 18, 22, 26, and 40 weeks after birth. Diffusion weighted imaging was analyzed in two different ways, by regional characterization of diffusion tensor imaging (DTI) indices, and by assessing changes in structural brain network organization based on Q-Ball tractography. Already at the first evaluated times, DTI scalar maps revealed significant differences in many regions, suggesting loss of integrity in white and gray matter of spontaneously hypertensive rats when compared to normotensive control rats. In addition, graph theory analysis of the structural brain network demonstrated a significant decrease of hierarchical modularity, global and local efficacy, with predictive value as shown by regional three-fold cross validation study. Moreover, these decreases were significantly correlated with the behavioral performance deficits observed at subsequent time points, suggesting that the diffusion weighted imaging and connectivity studies can unravel neuroimaging alterations even overt signs of cognitive impairment become apparent.

Detection of Pathologic Changes Following Traumatic Brain Injury Using Magnetic Resonance Imaging

Background: Approximately two percent of Finns have sequels after traumatic brain injury (TBI), and many TBI patients are young or middle-aged. The high rate of unemployment after TBI has major economic consequences for society, and traumatic brain injury often has remarkable personal consequences, as well. Structural imaging is often needed to support the clinical TBI diagnosis. Accurate early diagnosis is essential for successful rehabilition and, thus, may also influence the patient’s outcome. Traumatic axonal injury and cortical contusions constitute the majority of traumatic brain lesions. Several studies have shown magnetic resonance imaging (MRI) to be superior to computed tomography (CT) in the detection of these lesions. However, traumatic brain injury often leads to persistent symptoms even in cases with few or no findings in conventional MRI. Aims and methods: The aim of this prospective study was to clarify the role of conventional MRI in the imaging of traumatic brain injury, and to investigate how to improve the radiologic diagnostics of TBI by using more modern diffusion-weighted imaging (DWI) and diffusion tensor imaging (DTI) techniques. We estimated, in a longitudinal study, the visibility of the contusions and other intraparenchymal lesions in conventional MRI at one week and one year after TBI. We used DWI-based measurements to look for changes in the diffusivity of the normal-appearing brain in a case-control study. DTI-based tractography was used in a case-control study to evaluate changes in the volume, diffusivity, and anisotropy of the long association tracts in symptomatic TBI patients with no visible signs of intracranial or intraparenchymal abnormalities on routine MRI. We further studied the reproducibility of different tools to identify and measure white-matter tracts by using a DTI sequence suitable for clinical protocols. Results: Both the number and extent of visible traumatic lesions on conventional MRI diminished significantly with time. Slightly increased diffusion in the normal-appearing brain was a common finding at one week after TBI, but it was not significantly associated with the injury severity. Fractional anisotropy values, that represent the integrity of the white-matter tracts, were significantly diminished in several tracts in TBI patients compared to the control subjects. Compared to the cross-sectional ROI method, the tract-based analyses had better reproducibility to identify and measure white-matter tracts of interest by means of DTI tractography. Conclusions: As conventional MRI is still applied in clinical practice, it should be carried out soon after the injury, at least in symptomatic patients with negative CT scan. DWI-related brain diffusivity measurements may be used to improve the documenting of TBI. DTI tractography can be used to improve radiologic diagnostics in a symptomatic TBI sub-population with no findings on conventional MRI. Reproducibility of different tools to quantify fibre tracts vary considerably, which should be taken into consideration in the clinical DTI applications.

Magnetic Resocance Imaging Methods in the Follow-up of Multiple Sclerosis and in Farby Disease

Multiple sclerosis (MS) is a chronic immune-mediated inflammatory disorder of the central nervous system. MS is the most common disabling central nervous system (CNS) disease of young adults in the Western world. In Finland, the prevalence of MS ranges between 1/1000 and 2/1000 in different areas. Fabry disease (FD) is a rare hereditary metabolic disease due to mutation in a single gene coding α-galactosidase A (alpha-gal A) enzyme. It leads to multi-organ pathology, including cerebrovascular disease. Currently there are 44 patients with diagnosed FD in Finland. Magnetic resonance imaging (MRI) is commonly used in the diagnostics and follow-up of these diseases. The disease activity can be demonstrated by occurrence of new or Gadolinium (Gd)-enhancing lesions in routine studies. Diffusion-weighted imaging (DWI) and diffusion tensor imaging (DTI) are advanced MR sequences which can reveal pathologies in brain regions which appear normal on conventional MR images in several CNS diseases. The main focus in this study was to reveal whether whole brain apparent diffusion coefficient (ADC) analysis can be used to demonstrate MS disease activity. MS patients were investigated before and after delivery and before and after initiation of diseasemodifying treatment (DMT). In FD, DTI was used to reveal possible microstructural alterations at early timepoints when excessive signs of cerebrovascular disease are not yet visible in conventional MR sequences. Our clinical and MRI findings at 1.5T indicated that post-partum activation of the disease is an early and common phenomenon amongst mothers with MS. MRI seems to be a more sensitive method for assessing MS disease activity than the recording of relapses. However, whole brain ADC histogram analysis is of limited value in the follow-up of inflammatory conditions in a pregnancy-related setting because the pregnancy-related physiological effects on ADC overwhelm the alterations in ADC associated with MS pathology in brain tissue areas which appear normal on conventional MRI sequences. DTI reveals signs of microstructural damage in brain white matter of FD patients before excessive white matter lesion load can be observed on conventional MR scans. DTI could offer a valuable tool for monitoring the possible effects of enzyme replacement therapy in FD.

The importance of accurate anatomic assessment for the volumetric analysis of the amygdala

There is a wide range of values reported in volumetric studies of the amygdala. The use of single plane thick magnetic resonance imaging (MRI) may prevent the correct visualization of anatomic landmarks and yield imprecise results. To assess whether there is a difference between volumetric analysis of the amygdala performed with single plane MRI 3-mm slices and with multiplanar analysis of MRI 1-mm slices, we studied healthy subjects and patients with temporal lobe epilepsy. We performed manual delineation of the amygdala on T1-weighted inversion recovery, 3-mm coronal slices and manual delineation of the amygdala on three-dimensional volumetric T1-weighted images with 1-mm slice thickness. The data were compared using a dependent t-test. There was a significant difference between the volumes obtained by the coronal plane-based measurements and the volumes obtained by three-dimensional analysis (P < 0.001). An incorrect estimate of the amygdala volume may preclude a correct analysis of the biological effects of alterations in amygdala volume. Three-dimensional analysis is preferred because it is based on more extensive anatomical assessment and the results are similar to those obtained in post-mortem studies.

Serum levels of brain-derived neurotrophicfactor correlate with the number of T2 MRI lesions in multiple sclerosis

The objective of the present study was to determine if there is a relationship between serum levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and the number of T2/fluid-attenuated inversion recovery (T2/FLAIR) lesions in multiple sclerosis (MS). The use of magnetic resonance imaging (MRI) has revolutionized the study of MS. However, MRI has limitations and the use of other biomarkers such as BDNF may be useful for the clinical assessment and the study of the disease. Serum was obtained from 28 MS patients, 18-50 years old (median 38), 21 women, 0.5-10 years (median 5) of disease duration, EDSS 1-4 (median 1.5) and 28 healthy controls, 19-49 years old (median 33), 19 women. BDNF levels were measured by ELISA. T1, T2/FLAIR and gadolinium-enhanced lesions were measured by a trained radiologist. BDNF was reduced in MS patients (median [range] pg/mL; 1160 [352.6-2640]) compared to healthy controls (1640 [632.4-4268]; P = 0.03, Mann-Whitney test) and was negatively correlated (Spearman correlation test, r = -0.41; P = 0.02) with T2/FLAIR (11-81 lesions, median 42). We found that serum BDNF levels were inversely correlated with the number of T2/FLAIR lesions in patients with MS. BDNF may be a promising biomarker of MS.

Global coordination: weighted voting

In order to halt the depletion of global ecological capital, a number of different kinds of meetings between Governments of countries in the world has been scheduled. The need for global coordination of environmental policies has become ever more obvious, supported by more and more evidence of the running down of ecological capital. But there are no formal or binding arrangements in sight, as global environmental coordination suffers from high transaction costs (qualitative voting). The CO2 equivalent emissions, resulting in global warming, are driven by the unstoppable economic expansion in the global market economy, employing mainly fossil fuel generated energy, although at the same time lifting sharply the GDP per capita of several emerging countries. Only global environmental coordination on the successful model of the World Band and the IMF (quantitative voting) can stem the rising emissions numbers and stop further environmental degradation. However, the system of weighted voting in the WB and the IMF must be reformed by reducing the excessive voting power disparities, for instance by reducing all member country votes by the cube root expression.

The effect of a weighted-vest strength and balance training program on obstructed walking in postmenopausal women

SUMMARY Background: Age related declines in lower extremity strength have been associated with impaired mobility and changes in gait patterns, which increase the likelihood of falls. Since community dwelling adults encounter a wide range of locomotor challenges including uneven and obstmcted walking surfaces, we examined the effect of a strength 11 and balance exercise program on obstructed walking in postmenopausal women. Objectives: This study examined the effect of a weighted-vest strength and balance exercise program on adaptations of the stance leg during obstacle walking in postmenopausal women. Methods: Eighteen women aged 44-62 years who had not engaged in regular resistance training for the past year were recruited from the St. Catharines community to participate in this study. Eleven women volunteered for an aerobic (walking), strength, and balance training program 3 times per week for 12 weeks while 7 women volunteered as controls. Measurements included: force platform dynamic balance measure of the center of pressure (COP) and ground reaction forces (GRFs) in the stance leg while going over obstacles of different heights (0,5, 10,25 and 30 cm); and isokinetic strength measures of knee and ankle extension and flexion. Results: Of the 18 women, who began the trial, 16 completed it. The EX group showed a significant increase of 40% in ankle plantar flexion strength (P < 0.05). However, no improvements in measures of COP or GRFs were observed for either group. Failure to detect any changes in measures of dynamic balance may be due to small sample size. Conclusions: Postmenopausal women experience significant improvements in ankle strength with 12 weeks of a weighted-vest balance and strength training program, however, these changes do not seem to be associated with any improvement in measures of dynamic balance.

Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.

In vivo phosphorus spectroscopy in human subjects on a clinical 3T MRI system

Alors que l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d’obtenir un large éventail de données anatomiques et fonctionnelles, les scanneurs cliniques sont généralement restreints à l’utilisation du proton pour leurs images et leurs applications spectroscopiques. Le phosphore jouant un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique, l’utilisation de cet atome en spectroscopie RM présente un énorme avantage dans l’observation du corps humain. Cela représente un certain nombre de déEis techniques à relever dus à la faible concentration de phosphore et sa fréquence de résonance différente. L’objectif de ce projet a été de développer la capacité à réaliser des expériences de spectroscopie phosphore sur un scanneur IRM clinique de 3 Tesla. Nous présentons ici les différentes étapes nécessaires à la conception et la validation d’une antenne IRM syntonisée à la fréquence du phosphore. Nous présentons aussi l’information relative à réalisation de fantômes utilisés dans les tests de validation et la calibration. Finalement, nous présentons les résultats préliminaires d’acquisitions spectroscopiques sur un muscle humain permettant d’identiEier les différents métabolites phosphorylés à haute énergie. Ces résultats s’inscrivent dans un projet de plus grande envergure où les impacts des changements du métabolisme énergétique sont étudiés en relation avec l’âge et les pathologies.

Quantitative functional MRI of the Cerebrovascular Reactivity to CO2

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2.

Articulated Model Registration of MRI/X-Ray Spine Data

This paper presents a method based on articulated models for the registration of spine data extracted from multimodal medical images of patients with scoliosis. With the ultimate aim being the development of a complete geometrical model of the torso of a scoliotic patient, this work presents a method for the registration of vertebral column data using 3D magnetic resonance images (MRI) acquired in prone position and X-ray data acquired in standing position for five patients with scoliosis. The 3D shape of the vertebrae is estimated from both image modalities for each patient, and an articulated model is used in order to calculate intervertebral transformations required in order to align the vertebrae between both postures. Euclidean distances between anatomical landmarks are calculated in order to assess multimodal registration error. Results show a decrease in the Euclidean distance using the proposed method compared to rigid registration and more physically realistic vertebrae deformations compared to thin-plate-spline (TPS) registration thus improving alignment.

Some Properties of Weighted Distributions for Truncated Random Variables

The present study gave emphasis on characterizing continuous probability distributions and its weighted versions in univariate set up. Therefore a possible work in this direction is to study the properties of weighted distributions for truncated random variables in discrete set up. The problem of extending the measures into higher dimensions as well as its weighted versions is yet to be examined. As the present study focused attention to length-biased models, the problem of studying the properties of weighted models with various other weight functions and their functional relationships is yet to be examined.