Morphological analysis of magnetic resonance images in patients with chiari malformation

Abstract

Doğuştan gelen ya da sonradan oluşabilen beyincik sarkması tip I hastalığı beyincik tonsillerinin foramen magnum alt bölgesine sarktığı ciddi bir nörolojik rahatsızlıktır. Bu durum Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) muayenesi ile sarkma boyunun en az 5 mm olması kıstası ile teşhis edilebilmektedir. Fraktal boyut (FB) hesaplaması nesnelerdeki yapısal karmaşıklığın ölçümü ve nitelendirilmesinde kullanılan popüler bir yöntem olup beynin yapısal olarak değerlendirilmesinde sıkça kullanılmıştır. Bu yüzden bu tezde beyinciğin yapısal özelliklerinin değerlendirilmesi ve beyincik yapılarında hasta ve sağlıklı bireyleri ayırt edebilecek özelliklerin ortaya konulması amacıyla FB kullanıldı.Bu çalışmada beyincik sarkması tip I hastaları ve sağlıklı kontrollere ait MRG verileri kullanılarak FB analizleri gerçekleştirildi. Öncelikle beyin bölütlenmesi ile beyaz madde (BM), gri madde (GM) ve beyin omurilik sıvısı (BOS) elde edildi. Sonra, beyincik maskesi yardımı ile beyinciğe ait BM, GM ve BOS dokuları elde edildi. Ardından, bölütlenmiş beyincik dokuları kullanılarak alan, hacim ve iki ve üç boyutlu FB hesaplamaları yapıldı. Ayrıca sarkma boyutu da ölçülerek diğer bulgular ile ilişkisi incelenmiştir. İki boyutlu analizlerde, hastalar daha büyük alan ve FB değerlerine sahip iken, üç boyutlu analizlerde hastaların düşük değerlere sahip olduğu gözlemlendi.Sonuçlar FB analizinin beyinciğin yapısal detaylarının tanımlanması ve ayrıca hasta ve sağlıklı bireyler arasındaki beyincik dokusu farklarının ortaya konmasında etkili bir yöntem olduğunu göstermiştir.

Chiari malformation type I (CM-I), which can be congenital or acquired, is a serious neurological disorder described as the descent of cerebellar tonsils through the foramen magnum. This anomaly can be diagnosed by a Magnetic Resonance Imaging (MRI) examination based on the conventional diagnostic criterion, a tonsillar descent of 5 mm or more. Fractal dimension (FD) estimation is a popular technique for measuring and characterizing the structural complexity in objects and has been widely used for morphological evaluation of brain. Thus, FD was used in this thesis to evaluate the morphological properties of cerebellum and to find out the distinguishing features in cerebellar structures between patients with CM-I and healthy subjects. In this study, FD analyses were employed using the MRI data of the patients with CM-I and the healthy control subjects. Initially, brain was partitioned into different tissue classes, that is white matter (WM), gray matter (GM) and cerebrospinal fluid (CSF). Using a mask image of cerebellum, cerebellar WM, GM and CSF tissues were obtained. Next, area, volume and 2D and 3D FD estimations were performed using segmented cerebellar images. Moreover, the herniation size were measured and correlated with the mentioned values in the patients. In 2D analysis, the results indicated that the patients had larger area and FD values; however, lower results were obtained for the patients in the 3D analysis. The results indicated that FD analysis is an effective method for describing morphological details and variations in cerebellum between the patients and controls.