Obrazowanie za pomocą tensora dyfuzji

Plik Obrazowanie za pomocą tensora dyfuzji lub obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego ważone dyfuzyjnie (DW-MRI) przedstawia dyfuzyjne zachowanie cząsteczek wody w tkance biologicznej jako metoda obrazowania oparta na klasycznym MRT i jest stosowana głównie w badaniach mózgu. Podobnie jak w przypadku klasycznego rezonansu magnetycznego, zabieg jest nieinwazyjny i nie wymaga stosowania promieniowania jonizującego.

Co to jest obrazowanie metodą tensora dyfuzyjnego?

W praktyce klinicznej obrazowanie metodą tensora dyfuzji jest wykorzystywane głównie do badania mózgu, ponieważ dyfuzyjne zachowanie wody pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat niektórych chorób ośrodkowego układu nerwowego.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego ważonego dyfuzyjnie jest metodą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRT), która mierzy ruchy dyfuzyjne cząsteczek wody w tkankach ciała.

W praktyce klinicznej służy głównie do badania mózgu, ponieważ dyfuzyjne zachowanie wody pozwala wyciągnąć wnioski na temat niektórych chorób ośrodkowego układu nerwowego. Za pomocą tomografii rezonansu magnetycznego ważonej dyfuzyjnie lub obrazowania tensora dyfuzyjnego można również uzyskać informacje o przebiegu dużych wiązek włókien nerwowych. W często stosowanym obrazowaniu tensorowym dyfuzji (DTI), wariancie DW-MRI, rejestrowana jest również zależność kierunkowa dyfuzji.

DTI oblicza tensor na jednostkę objętości, który jest używany do opisu trójwymiarowego zachowania dyfuzji. Jednak ze względu na ogromną ilość wymaganych danych pomiary te są znacznie bardziej czasochłonne niż klasyczne MRI. Dane można interpretować tylko przy użyciu różnych technik wizualizacji. Obecnie obrazowanie metodą tensora dyfuzji, które pojawiło się w latach 80. XX wieku, jest obsługiwane przez wszystkie nowe urządzenia MRI.

Funkcja, efekt i cele

Podobnie jak konwencjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego ważonego dyfuzją opiera się na fakcie, że protony mają spin z momentem magnetycznym. Spin może ustawić się równolegle lub antyrównolegle do zewnętrznego pola magnetycznego.

Wyrównanie antyrównoległe ma wyższy stan energetyczny niż wyrównanie równoległe. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego ustala się równowaga na korzyść protonów o niskiej energii. Jeśli pole o wysokiej częstotliwości zostanie włączone w tym polu, momenty magnetyczne odwracają się w kierunku płaszczyzny xy w zależności od siły i czasu trwania impulsu. Ten stan jest znany jako jądrowy rezonans magnetyczny. Kiedy pole wysokiej częstotliwości zostanie ponownie wyłączone, spiny jądrowe ustawiają się ponownie w kierunku statycznego pola magnetycznego z opóźnieniem czasowym zależnym od chemicznego środowiska protonu.

Sygnał jest rejestrowany poprzez napięcie generowane w cewce pomiarowej. W tomografii rezonansu magnetycznego ważonej dyfuzyjnie podczas pomiaru przykładane jest pole gradientowe, które zmienia natężenie statycznego pola magnetycznego we wcześniej określonym kierunku. To powoduje, że jądra wodoru tracą fazę, a sygnał zanika. Jeśli kierunek obrotów rdzeni zostanie odwrócony przez nowy impuls o wysokiej częstotliwości, wracają one do fazy i sygnał pojawia się ponownie.

Jednak intensywność drugiego sygnału jest słabsza, ponieważ niektóre jądra nie są już w fazie. Ta utrata intensywności sygnału opisuje dyfuzję wody. Im słabszy drugi sygnał, tym więcej jąder dyfundowało w kierunku pola gradientu i tym mniejszy opór dyfuzyjny. Z kolei odporność na dyfuzję zależy od wewnętrznej struktury komórek nerwowych. Na podstawie danych pomiarowych można obliczyć i zilustrować strukturę badanej tkanki.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego ważone dyfuzyjnie jest często stosowane w diagnostyce udarów. Awaria pomp sodowo-potasowych w przypadku udaru poważnie ogranicza ruchy dyfuzyjne. W przypadku DW-MRI jest to natychmiast widoczne, podczas gdy w przypadku konwencjonalnego MRI zmiany często można zarejestrować dopiero po kilku godzinach. Kolejny obszar zastosowań dotyczy planowania operacji w chirurgii mózgu.

Obrazowanie tensora dyfuzyjnego determinuje przebieg szlaków nerwowych. Należy to wziąć pod uwagę podczas planowania operacji. Nagrania mogą również pokazać, czy guz przeniknął już do przewodu nerwowego. Metodę tę można również wykorzystać do oceny, czy operacja ma jakiekolwiek perspektywy. Wiele chorób neurologicznych i psychiatrycznych, takich jak choroba Alzheimera, epilepsja, stwardnienie rozsiane, schizofrenia czy encefalopatia HIV, jest obecnie przedmiotem badań w obrazowaniu tensorowym dyfuzji. Pytanie brzmi, na które obszary mózgu wpływają poszczególne choroby. Obrazowanie za pomocą tensora dyfuzji jest również coraz częściej wykorzystywane jako narzędzie badawcze w badaniach kognitywnych.

Ryzyko, skutki uboczne i niebezpieczeństwa

Pomimo dobrych wyników w diagnostyce udarów, w przygotowaniu operacji mózgu i jako narzędzie badawcze w wielu badaniach klinicznych, tomografia magnetycznego rezonansu dyfuzyjnego wciąż ma swoje ograniczenia w zastosowaniu.

W niektórych przypadkach proces ten nie jest jeszcze w pełni rozwinięty i wymaga intensywnych prac badawczo-rozwojowych, aby go udoskonalić. Pomiary tomografii rezonansu magnetycznego ważonego dyfuzyjnie często oferują jedynie ograniczoną jakość obrazu, ponieważ ruch dyfuzyjny jest wyrażany jedynie przez tłumienie mierzonego sygnału. Niewielki postęp osiągnięto nawet przy wyższej rozdzielczości przestrzennej, ponieważ przy elementach o mniejszej objętości tłumienie sygnału znika w szumie aparatu pomiarowego. Ponadto konieczna jest duża liczba indywidualnych pomiarów.

Dane pomiarowe należy przerobić w komputerze, aby móc skorygować niektóre zakłócenia. Jak dotąd nadal istnieją problemy, aby w zadowalający sposób przedstawić złożone zachowanie dyfuzyjne. Zgodnie z obecnym stanem techniki, dyfuzję w wokselu można poprawnie zarejestrować tylko w jednym kierunku. Testowane są metody, które mogą jednocześnie wykonywać zapisy ważone dyfuzją w różnych kierunkach. Są to procesy wymagające dużej rozdzielczości kątowej.

Metody oceny i przetwarzania danych również wymagają optymalizacji. Na przykład we wcześniejszych badaniach porównano dane uzyskane z obrazowania metodą rezonansu magnetycznego ważonego dyfuzją z większymi grupami badanych. Jednak ze względu na różne struktury anatomiczne różnych osób może to prowadzić do błędnych wyników badań. Dlatego należy opracować nowe metody analizy statystycznej.