Uusi tarkka työkalu aivojen magneettikuvien käsittelyyn; potilaan liikahtamisesta syntyvät mittavirheet ovat korjattavissa

Kun tutkitaan keskosena syntyneen lapsen kehitystä tai uusien taitojen, kuten kielten, oppimista, keskeistä on aivojen rakenteessa tapahtuvien muutosten mittaaminen. Aiemmin ihmisaivoja tutkittiin arvioimalla aivosähkökäyrää ja tekemällä potilaalle neurokognitiivisia testejä, mutta viime vuosikymmeninä magneettikuvaustekniikka on tehnyt mahdolliseksi tutkia aivojen rakennetta ilman, että aivoihin kajotaan. Nyt voidaan jopa seurata, kuinka aivot muuttuvat, kun lapsi kasvaa tai ihminen oppii uusia taitoja.

Diffuusiopainotettu magneettikuvauson yksi lupaavimmistaaivojen tutkimusmenetelmistä. Sille on löytynyt käyttökohteita niin neurotieteessä, lääketieteellisissä tutkimuksissa kuin neurokirurgiassa. Menetelmä perustuu vesimolekyylien lämpöliikkeen mittaamiseen aivoissa.

– Molekyylien liike on vapaata muun muassa valkean aineen rakenteiden myötäisesti, mutta lähes mahdotonta kohtisuoraan niiden lävitse. Kun jäljitämme molekyylien reitit, voimme muodostaa tarkan mallin aivojen rakenteesta. Tämän mallin pohjalta on sitten mahdollista laskea kuvaavia arvoja, jotka auttavat määrittämään esimerkiksi aivovaurion astetta.

Näin kertoo Viljami Sairanen, joka väittelee tohtoriksi aivojen rakenteen kuvantamisesta lääketieteellisen fysiikan alalla Helsingin yliopistossa perjantaina 13.4.2018. Hänen tutkimuksiinsa liittyvä työ, etenkin uuden työkalun kehittäminen aivojen rakenteiden tutkimusta varten, on jo herättänyt kansainvälistä mielenkiintoa.

Taustalla inversioajattelua - potilaasta tehdyt mittaukset sovitetaan aivoja kuvaavaan matemaattiseen malliin

Diffuusiopainotetun magneettikuvauksen suurin haaste on menetelmän monimutkaisuus, sillä hankalaa on niin mittaaminen kuin tulosten analysointi. – Vain hyvin yksinkertaisissa tapauksissa asiantuntija voi arvioida poikkeamia aivoissa suoraan diffuusiopainotetusta magneettikuvasta.

Yleensä kuvien tarkkaan analysointiin käytetään matemaattisia menetelmiä. Tällöin keskeistä on inversio-ongelman ratkaisu, jossa seurauksista eli potilaasta tehtyjen mittausten pohjalta ratkaistaan syy, eli valkean aineen rakennetta kuvaavan mallin parametrit.

– Matemaattisen mallin valitsemisella on siis suuri vaikutus lopputuloksen hyödyllisyyteen, siis siihen, että kuva on mahdollisimman virheetön ja todenmukainen, Viljami Sairanen sanoo.

Pienikin liike voi johtaa mittavirheisiin

Diffuusiopainotettu magneettikuvaus on myös häiriöherkkä, ja mittaukset sisältävät luonnostaan paljon kohinaa. Sen vaikutusta vähennetään tekemällä toistomittauksia. Toistomittaukset pidentävät kuvausaikaa, mikä puolestaan voi olla hankalaa potilaalle, koska potilaan pitää olla liikkumatta koko kuvauksen ajan.

– Potilaan pään pienikin liike voi johtaa huomattaviin mittavirheisiin, koska menetelmällä mitataan vesimolekyylien liikettä, jonka suuruus on vain kymmenien mikrometrien luokkaa, Sairanen sanoo.

Uusi työkalu havaitsee potilaan liikkeestä aiheutuvia virheitä mittaustuloksissa

Viljami Sairasen fysiikan väitöskirjassa keskityttiin diffuusiopainotetun magneettikuvauksen mallintamismenetelmien kehitystyöhön ja käyttöönottoon Helsingin yliopistollisessa sairaalassa.

Työn yhteydessä tutkijat kehittivät kansainvälistä huomiota herättäneen SOLID-työkalun, jolla voidaan sekä havaita että korjata potilaan liikkeestä aiheutuvia virheitä mittaustuloksissa.

– Tämän lisäksi olemme esittäneet laadunvalvontamenetelmän, jolla voidaan arvioida esimerkiksi potilaiden välisten mallinnustulosten vertailukelpoisuutta, Sairanen kertoo.

Menetelmien tarpeellisuus havaittiin kahdessa tutkimuksessa. Niissä tutkijat osoittivat, että vastasyntyneen lapsen kyky seurata katseellaan liikkuvaa kohdetta liittyy laaja-alaisiin muutoksiin aivojen valkean aineen rakenteessa. Lisäksi he paikansivat toisen kielen oppimisajankohdan aiheuttamia vaikutuksia aivorakenteisiin.

– Käytännössä varhaislapsuudessa opittu toinen kieli saattaa kehittää eri aivorakenteita kuin myöhemmin opittu, väittelijä sanoo.

------------------ 

Kuvituskuva: Väriainemolekyylien diffuusio vedessä muodostaa aivojen valkean aineen rakenteen kolmiulotteisen mallin. Copyright: Pentti Sairanen, Mirador Studios

YouTube-video: Diffuusio MRI ja potilaanliike; Potilaan liike kuvauksen aikana johtaa epävarmuuteen valkean aineen rakenteiden mallintamisessa. https://www.youtube.com/watch?v=rVOnKWPjyAk&feature=youtu.be

Viljami Sairanen väittelee perjantaina 13.4.2018 otsikolla From Diffusion to Tracts. Tutkimus on E-thesis-verkkopalvelussa: https://helda.helsinki.fi/handle/10138/233759

Yhteystiedot: Viljami Sairanen, 050 302 8895, viljami.sairanen@helsinki.fi

Ystävällisin terveisin
Minna Meriläinen-Tenhu, viestinnän asiantuntija, @MinnaMeriTenhu, 050 415 0316