966 resultados para brain analysis
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In the present study, we propose a theoretical graph procedure to investigate multiple pathways in brain functional networks. By taking into account all the possible paths consisting of h links between the nodes pairs of the network, we measured the global network redundancy R (h) as the number of parallel paths and the global network permeability P (h) as the probability to get connected. We used this procedure to investigate the structural and dynamical changes in the cortical networks estimated from a dataset of high-resolution EEG signals in a group of spinal cord injured (SCI) patients during the attempt of foot movement. In the light of a statistical contrast with a healthy population, the permeability index P (h) of the SCI networks increased significantly (P < 0.01) in the Theta frequency band (3-6 Hz) for distances h ranging from 2 to 4. On the contrary, no significant differences were found between the two populations for the redundancy index R (h) . The most significant changes in the brain functional network of SCI patients occurred mainly in the lower spectral contents. These changes were related to an improved propagation of communication between the closest cortical areas rather than to a different level of redundancy. This evidence strengthens the hypothesis of the need for a higher functional interaction among the closest ROIs as a mechanism to compensate the lack of feedback from the peripheral nerves to the sensomotor areas.
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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Apert Syndrome, also called acrocephalosyndactylia type 1, is characterized by craniostenosis with early fusion of sutures of the vault and/ or cranial base, associated to mid-face hypoplasia, symmetric syndactylia of the hands and feet and other systemic malformations. CNS malformations and intracranial hypertension are frequently observed in these patients. Early surgical treatment aims to minimize the deleterious effects of intracranial hypertension. Fronto-orbital advancement, the usual surgical technique, increases the intracranial volume and improves the disposition of encephalic structures previously deformed by a short skull. This study analyzes CNS alterations revealed by magnetic resonance in 18 patients presenting Apert Syndrome, and the conformational alterations in the encephalic structures after surgical treatment. The patients' age in February 2001 ranged from 14 to 322 months (m=107). Image study included brain magnetic resonance showing ventricular enlargement in five cases (27.8%), corpus callosum hypoplasia in five cases (27.8%), septum pellucidum hypoplasia in five cases (27.8%), cavum vergae in two cases (11.1%) and, arachnoid cyst in the posterior fossa in two cases (11.1%). Absence of CNS alterations was noted in 44.4% of cases. A corpus callosum morphologic index was established by dividing its height by its length, which revealed values that ranged from 0.4409 to 1.0237. The values of this index were correlated to the occurrence or absence of surgical treatment (p=0.012; t=2.83). Data analysis allowed the conclusion that the corpus callosum morphologic measure quantified the conformational alterations of the cerebral structures determined by the surgical treatment.
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.
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Il lavoro che ho sviluppato presso l'unità di RM funzionale del Policlinico S.Orsola-Malpighi, DIBINEM, è incentrato sull'analisi dati di resting state - functional Magnetic Resonance Imaging (rs-fMRI) mediante l'utilizzo della graph theory, con lo scopo di valutare eventuali differenze in termini di connettività cerebrale funzionale tra un campione di pazienti affetti da Nocturnal Frontal Lobe Epilepsy (NFLE) ed uno di controlli sani. L'epilessia frontale notturna è una peculiare forma di epilessia caratterizzata da crisi che si verificano quasi esclusivamente durante il sonno notturno. Queste sono contraddistinte da comportamenti motori, prevalentemente distonici, spesso complessi, e talora a semiologia bizzarra. L'fMRI è una metodica di neuroimaging avanzata che permette di misurare indirettamente l'attività neuronale. Tutti i soggetti sono stati studiati in condizioni di resting-state, ossia di veglia rilassata. In particolare mi sono occupato di analizzare i dati fMRI con un approccio innovativo in campo clinico-neurologico, rappresentato dalla graph theory. I grafi sono definiti come strutture matematiche costituite da nodi e links, che trovano applicazione in molti campi di studio per la modellizzazione di strutture di diverso tipo. La costruzione di un grafo cerebrale per ogni partecipante allo studio ha rappresentato la parte centrale di questo lavoro. L'obiettivo è stato quello di definire le connessioni funzionali tra le diverse aree del cervello mediante l'utilizzo di un network. Il processo di modellizzazione ha permesso di valutare i grafi neurali mediante il calcolo di parametri topologici che ne caratterizzano struttura ed organizzazione. Le misure calcolate in questa analisi preliminare non hanno evidenziato differenze nelle proprietà globali tra i grafi dei pazienti e quelli dei controlli. Alterazioni locali sono state invece riscontrate nei pazienti, rispetto ai controlli, in aree della sostanza grigia profonda, del sistema limbico e delle regioni frontali, le quali rientrano tra quelle ipotizzate essere coinvolte nella fisiopatologia di questa peculiare forma di epilessia.
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Nel presente lavoro di tesi ho sviluppato un metodo di analisi di dati di DW-MRI (Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging)cerebrale, tramite un algoritmo di trattografia, per la ricostruzione del tratto corticospinale, in un campione di 25 volontari sani. Il diffusion tensor imaging (DTI) sfrutta la capacità del tensore di diffusione D di misurare il processo di diffusione dell’acqua, per stimare quantitativamente l’anisotropia dei tessuti. In particolare, nella sostanza bianca cerebrale la diffusione delle molecole di acqua è direzionata preferenzialmente lungo le fibre, mentre è ostacolata perpendicolarmente ad esse. La trattografia utilizza le informazioni ottenute tramite il DW imaging per fornire una misura della connettività strutturale fra diverse regioni del cervello. Nel lavoro si è concentrata l’attenzione sul fascio corticospinale, che è coinvolto nella motricità volontaria, trasmettendo gli impulsi dalla corteccia motoria ai motoneuroni del midollo spinale. Il lavoro si è articolato in 3 fasi. Nella prima ho sviluppato il pre-processing di immagini DW acquisite con un gradiente di diffusione sia 25 che a 64 direzioni in ognuno dei 25 volontari sani. Si è messo a punto un metodo originale ed innovativo, basato su “Regions of Interest” (ROIs), ottenute attraverso la segmentazione automatizzata della sostanza grigia e ROIs definite manualmente su un template comune a tutti i soggetti in esame. Per ricostruire il fascio si è usato un algoritmo di trattografia probabilistica che stima la direzione più probabile delle fibre e, con un numero elevato di direzioni del gradiente, riesce ad individuare, se presente, più di una direzione dominante (seconda fibra). Nella seconda parte del lavoro, ciascun fascio è stato suddiviso in 100 segmenti (percentili). Sono stati stimati anisotropia frazionaria (FA), diffusività media, probabilità di connettività, volume del fascio e della seconda fibra con un’analisi quantitativa “along-tract”, per ottenere un confronto accurato dei rispettivi percentili dei fasci nei diversi soggetti. Nella terza parte dello studio è stato fatto il confronto dei dati ottenuti a 25 e 64 direzioni del gradiente ed il confronto del fascio fra entrambi i lati. Dall’analisi statistica dei dati inter-subject e intra-subject è emersa un’elevata variabilità tra soggetti, dimostrando l’importanza di parametrizzare il tratto. I risultati ottenuti confermano che il metodo di analisi trattografica del fascio cortico-spinale messo a punto è risultato affidabile e riproducibile. Inoltre, è risultato che un’acquisizione con 25 direzioni di DTI, meglio tollerata dal paziente per la minore durata dello scan, assicura risultati attendibili. La principale applicazione clinica riguarda patologie neurodegenerative con sintomi motori sia acquisite, quali sindromi parkinsoniane sia su base genetica o la valutazione di masse endocraniche, per la definizione del grado di contiguità del fascio. Infine, sono state poste le basi per la standardizzazione dell’analisi quantitativa di altri fasci di interesse in ambito clinico o di studi di ricerca fisiopatogenetica.
Core networks for visual-concrete and abstract thought content: a brain electric microstate analysis
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Commonality of activation of spontaneously forming and stimulus-induced mental representations is an often made but rarely tested assumption in neuroscience. In a conjunction analysis of two earlier studies, brain electric activity during visual-concrete and abstract thoughts was studied. The conditions were: in study 1, spontaneous stimulus-independent thinking (post-hoc, visual imagery or abstract thought were identified); in study 2, reading of single nouns ranking high or low on a visual imagery scale. In both studies, subjects' tasks were similar: when prompted, they had to recall the last thought (study 1) or the last word (study 2). In both studies, subjects had no instruction to classify or to visually imagine their thoughts, and accordingly were not aware of the studies' aim. Brain electric data were analyzed into functional topographic brain images (using LORETA) of the last microstate before the prompt (study 1) and of the word-type discriminating event-related microstate after word onset (study 2). Conjunction analysis across the two studies yielded commonality of activation of core networks for abstract thought content in left anterior superior regions, and for visual-concrete thought content in right temporal-posterior inferior regions. The results suggest that two different core networks are automatedly activated when abstract or visual-concrete information, respectively, enters working memory, without a subject task or instruction about the two classes of information, and regardless of internal or external origin, and of input modality. These core machineries of working memory thus are invariant to source or modality of input when treating the two types of information.
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Image-based modeling of tumor growth combines methods from cancer simulation and medical imaging. In this context, we present a novel approach to adapt a healthy brain atlas to MR images of tumor patients. In order to establish correspondence between a healthy atlas and a pathologic patient image, tumor growth modeling in combination with registration algorithms is employed. In a first step, the tumor is grown in the atlas based on a new multi-scale, multi-physics model including growth simulation from the cellular level up to the biomechanical level, accounting for cell proliferation and tissue deformations. Large-scale deformations are handled with an Eulerian approach for finite element computations, which can operate directly on the image voxel mesh. Subsequently, dense correspondence between the modified atlas and patient image is established using nonrigid registration. The method offers opportunities in atlasbased segmentation of tumor-bearing brain images as well as for improved patient-specific simulation and prognosis of tumor progression.
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MRI-based medical image analysis for brain tumor studies is gaining attention in recent times due to an increased need for efficient and objective evaluation of large amounts of data. While the pioneering approaches applying automated methods for the analysis of brain tumor images date back almost two decades, the current methods are becoming more mature and coming closer to routine clinical application. This review aims to provide a comprehensive overview by giving a brief introduction to brain tumors and imaging of brain tumors first. Then, we review the state of the art in segmentation, registration and modeling related to tumor-bearing brain images with a focus on gliomas. The objective in the segmentation is outlining the tumor including its sub-compartments and surrounding tissues, while the main challenge in registration and modeling is the handling of morphological changes caused by the tumor. The qualities of different approaches are discussed with a focus on methods that can be applied on standard clinical imaging protocols. Finally, a critical assessment of the current state is performed and future developments and trends are addressed, giving special attention to recent developments in radiological tumor assessment guidelines.
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The study describes brain areas involved in medial temporal lobe (mTL) seizures of 12 patients. All patients showed so-called oro-alimentary behavior within the first 20 s of clinical seizure manifestation characteristic of mTL seizures. Single photon emission computed tomography (SPECT) images of regional cerebral blood flow (rCBF) were acquired from the patients in ictal and interictal phases and from normal volunteers. Image analysis employed categorical comparisons with statistical parametric mapping and principal component analysis (PCA) to assess functional connectivity. PCA supplemented the findings of the categorical analysis by decomposing the covariance matrix containing images of patients and healthy subjects into distinct component images of independent variance, including areas not identified by the categorical analysis. Two principal components (PCs) discriminated the subject groups: patients with right or left mTL seizures and normal volunteers, indicating distinct neuronal networks implicated by the seizure. Both PCs were correlated with seizure duration, one positively and the other negatively, confirming their physiological significance. The independence of the two PCs yielded a clear clustering of subject groups. The local pattern within the temporal lobe describes critical relay nodes which are the counterpart of oro-alimentary behavior: (1) right mesial temporal zone and ipsilateral anterior insula in right mTL seizures, and (2) temporal poles on both sides that are densely interconnected by the anterior commissure. Regions remote from the temporal lobe may be related to seizure propagation and include positively and negatively loaded areas. These patterns, the covarying areas of the temporal pole and occipito-basal visual association cortices, for example, are related to known anatomic paths.
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Behavioral studies suggest that women and men differ in the strategic elaboration of verbally encoded information especially in the absence of external task demand. However, measuring such covert processing requires other than behavioral data. The present study used event-related potentials to compare sexes in lower and higher order semantic processing during the passive reading of semantically related and unrelated word pairs. Women and men showed the same early context effect in the P1-N1 transition period. This finding indicates that the initial lexical-semantic access is similar in men and women. In contrast, sexes differed in higher order semantic processing. Women showed an earlier and longer lasting context effect in the N400 accompanied by larger signal strength in temporal networks similarly recruited by men and women. The results suggest that women spontaneously conduct a deeper semantic analysis. This leads to faster processing of related words in the active neural networks as reflected in a shorter stability of the N400 map in women. Taken together, the findings demonstrate that there is a selective sex difference in the controlled semantic analysis during passive word reading that is not reflected in different functional organization but in the depth of processing.
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OBJECT: In this study, 1H magnetic resonance (MR) spectroscopy was prospectively tested as a reliable method for presurgical grading of neuroepithelial brain tumors. METHODS: Using a database of tumor spectra obtained in patients with histologically confirmed diagnoses, 94 consecutive untreated patients were studied using single-voxel 1H spectroscopy (point-resolved spectroscopy; TE 135 msec, TE 135 msec, TR 1500 msec). A total of 90 tumor spectra obtained in patients with diagnostic 1H MR spectroscopy examinations were analyzed using commercially available software (MRUI/VARPRO) and classified using linear discriminant analysis as World Health Organization (WHO) Grade I/II, WHO Grade III, or WHO Grade IV lesions. In all cases, the classification results were matched with histopathological diagnoses that were made according to the WHO classification criteria after serial stereotactic biopsy procedures or open surgery. Histopathological studies revealed 30 Grade I/II tumors, 29 Grade III tumors, and 31 Grade IV tumors. The reliability of the histological diagnoses was validated considering a minimum postsurgical follow-up period of 12 months (range 12-37 months). Classifications based on spectroscopic data yielded 31 tumors in Grade I/II, 32 in Grade III, and 27 in Grade IV. Incorrect classifications included two Grade II tumors, one of which was identified as Grade III and one as Grade IV; two Grade III tumors identified as Grade II; two Grade III lesions identified as Grade IV; and six Grade IV tumors identified as Grade III. Furthermore, one glioblastoma (WHO Grade IV) was classified as WHO Grade I/II. This represents an overall success rate of 86%, and a 95% success rate in differentiating low-grade from high-grade tumors. CONCLUSIONS: The authors conclude that in vivo 1H MR spectroscopy is a reliable technique for grading neuroepithelial brain tumors.