A macro-structural characteristic of brain white matter: Dispersion with its clinical and technical applications

Abstract

Bu tezin temel amacı beyaz cevher yolaklarının büyük ölçekteki karakteristik özelliklerini bularak psikoz vakalarının teşhis ve takibinde başvurulabilecek bir teşhis ölçütü ortaya çıkarmaktır. Beyaz cevher yolakları difüzyon ağırlıklı manyetik rezonans görüntülerinin işlenmesi ile ortaya çıkan `traktogram`da beyindeki yolaklarınbütününü kapsayacak şekilde oluşturulabilir. Tractogram verisini kullanarak, voksel boyutundaki sınırdan bağımsız, yani büyük ölçekte bir özellik olarak beyaz cevher yolaklarının karmaşıklık derecesinin ölçülebileceği bir yayılım ölçütü bu tez kapsamında önerilmiştir. Sentetik veriler üzerinde yaptığımız çalışmalar önerilen ölçütün bağımlıolduğu değişkenlere olan duyarlılığını göstermektedir. Önerilen büyük ölçekli yayılım ölçütünün şizofreni ve bipolar vakalarının normallerden farklı yayılım karakteristiklerine sahip olduklarını gösteren ayırt edici bir ölçüt olduğu gösterilmiştir. Önerdiğimiz büyük ölçekli yayılım ölçütü ile frontal beyin lobu ile bağlantılı olduğu bilinen singulum ve inferior oksipito-frontal fasikülleri özel olarak incelendiğinde bu farklılık ortaya çıkmaktadır.Bu yayılım ölçütü, voksel sınırları içerisinde ölçülmüş olan difüzyon ölçütleri kadar etkili bir ölçüt olduğu karşılaştırmalarla anlaşılmıştır. Önerilen ölçüt ile oluşturulmuş yayılım haritası ile teknik uygulama da yapılabilmiş ve örnek olarak singulum bölütleme çalışması yapılmıştır. Bu tezin sonuçları ışığında büyük-ölçek yayılım ölçütü ile oluşturulan beyin haritalarının psikoz vakalarının teşhisinde kullanılabilecek bir nörobelirteç olma olasılığı ortaya çıkmıştır. Önerilen yöntem farklı klinik durumlar için de sınanabilir ve teknik uygulamalarda yeni ilerlemeler sağlanabilir.

The main goal of this thesis is to find distinct macro-structural characteristics of brain white matter in the case of psychosis, where development of diagnostic imaging measures is necessary for early diagnosis and prospective studies. Given a tractogram data, which is a dense set of white matter fiber pathways of the whole brain obtainedfrom diffusion magnetic resonance imaging, we propose to compute a global measure of dispersion for a voxel from the end point statistics of a set of fibers, which indicates complexity of the white matter voxel not locally but at macro scales. The findings on phantom data demonstrate sensitivity of the proposed measure to the tuning parametersand show its range characteristics. The findings on the real data demonstrate that proposed macro-structural dispersion information is found to be significant for discrimination of the schizophrenia and the bipolar patients from the healthy controls, especially when the frontally associative bundles such as cingulum and inferioroccipito-frontal fasciculus are considered. The macroscopic dispersion measure is as informative as the local diffusion measures for the detection of changes in the white matter regions due to the psychosis. Beside, as a technical application, the dispersion map is considered and experimented for segmentation of cingulum. The findings of the thesis provide that the proposed measure is a potential diagnostic imaging marker in the case of psychosis and we contribute to the field of diagnostic research by generating a novel dispersion map of the brain that could be used for other clinical and technical applications.