Diffusie tensor beeldvorming

De Diffusie tensor beeldvorming of diffusie-gewogen magnetische resonantie beeldvorming (DW-MRI) vertegenwoordigt het diffusiegedrag van watermoleculen in biologisch weefsel als beeldvormingsmethode op basis van klassieke MRT en wordt voornamelijk gebruikt bij hersenonderzoeken. Net als bij klassieke MRI is de procedure niet-invasief en is er geen ioniserende straling nodig.

Wat is diffusie-tensorbeeldvorming?

In de klinische praktijk wordt diffusietensorbeeldvorming voornamelijk gebruikt om de hersenen te onderzoeken, omdat het diffusiegedrag van water het mogelijk maakt conclusies te trekken over bepaalde ziekten van het centrale zenuwstelsel.

Diffusiegewogen magnetische resonantiebeeldvorming is een methode van magnetische resonantiebeeldvorming (MRT) die de diffusiebewegingen van watermoleculen in lichaamsweefsel meet.

In de klinische praktijk wordt het vooral gebruikt om de hersenen te onderzoeken, omdat het diffusiegedrag van water het mogelijk maakt conclusies te trekken over bepaalde ziekten van het centrale zenuwstelsel. Met behulp van diffusiegewogen magnetische resonantietomografie of diffusietensorbeeldvorming kan ook informatie over het verloop van de grote zenuwvezelbundels worden verkregen. Bij de veel gebruikte diffusion tensor imaging (DTI), een variant van DW-MRI, wordt ook de directionele afhankelijkheid van de diffusie vastgelegd.

De DTI berekent een tensor per volume-eenheid, die wordt gebruikt om het driedimensionale diffusiegedrag te beschrijven. Vanwege de enorme hoeveelheid benodigde gegevens zijn deze metingen echter aanzienlijk tijdrovender dan klassieke MRI. De gegevens kunnen alleen worden geïnterpreteerd met behulp van verschillende visualisatietechnieken. Tegenwoordig wordt diffusietensorbeeldvorming die in de jaren tachtig opkwam, ondersteund door alle nieuwe MRI-apparaten.

Functie, effect en doelen

Net als conventionele magnetische resonantiebeeldvorming is diffusie-gewogen magnetische resonantiebeeldvorming gebaseerd op het feit dat protonen een spin hebben met een magnetisch moment. De spin kan zichzelf parallel of anti-parallel uitlijnen met een extern magnetisch veld.

De anti-parallelle uitlijning heeft een hogere energetische toestand dan de parallelle uitlijning. Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd, ontstaat er een evenwicht ten gunste van de laag-energetische protonen. Als over dit veld een hoogfrequent veld wordt ingeschakeld, kantelen de magnetische momenten in de richting van het xy-vlak, afhankelijk van de sterkte en duur van de puls. Deze toestand staat bekend als nucleaire magnetische resonantie. Wanneer het hoogfrequente veld weer wordt uitgeschakeld, richten de kernspins zich weer uit in de richting van het statische magnetische veld met een tijdsvertraging die afhankelijk is van de chemische omgeving van het proton.

Het signaal wordt geregistreerd via de spanning die in de meetspoel wordt opgewekt. Bij diffusiegewogen magnetische resonantietomografie wordt tijdens de meting een gradiëntveld aangelegd dat de veldsterkte van het statische magnetische veld in een vooraf bepaalde richting verandert. Hierdoor raken de waterstofkernen uit fase en verdwijnt het signaal. Als de draairichting van de aders wordt omgekeerd door een nieuwe hoogfrequente puls, komen ze weer in fase en treedt het signaal weer op.

De intensiteit van het tweede signaal is echter zwakker omdat sommige kernen niet meer in fase zijn. Dit intensiteitsverlies van het signaal beschrijft de diffusie van het water. Hoe zwakker het tweede signaal, hoe meer kernen zich hebben verspreid in de richting van het gradiëntveld en hoe lager de diffusieweerstand. De weerstand tegen diffusie is weer afhankelijk van de interne structuur van de zenuwcellen. Met behulp van de gemeten gegevens kan de structuur van het onderzochte weefsel worden berekend en geïllustreerd.

Diffusiegewogen magnetische resonantiebeeldvorming wordt vaak gebruikt bij de diagnostiek van een beroerte. Het uitvallen van de natrium-kaliumpompen bij een beroerte beperkt de diffusiebewegingen ernstig. Bij DW-MRI is dit direct zichtbaar, terwijl bij conventionele MRI de veranderingen vaak pas na enkele uren geregistreerd kunnen worden. Een ander toepassingsgebied betreft de planning van operaties bij hersenchirurgie.

Diffusietensorbeeldvorming bepaalt het verloop van de zenuwbanen. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het plannen van de operatie. De opnames kunnen ook laten zien of een tumor al het zenuwstelsel is binnengedrongen. Deze methode kan ook worden gebruikt om de vraag te beoordelen of een operatie überhaupt perspectief heeft. Veel neurologische en psychiatrische ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer, epilepsie, multiple sclerose, schizofrenie of HIV-encefalopathie, zijn nu onderwerp van onderzoek op het gebied van diffusietensorbeeldvorming. De vraag is welke hersenregio's door welke ziekten worden beïnvloed. Diffusietensorbeeldvorming wordt ook steeds vaker gebruikt als een onderzoeksinstrument voor cognitiewetenschappelijke studies.

Risico's, bijwerkingen en gevaren

Ondanks de goede resultaten bij de diagnose van beroertes, bij de voorbereiding van hersenoperaties en als onderzoeksinstrument in veel klinische studies, kent diffusiegewogen magnetische resonantietomografie nog steeds zijn toepassingsbeperkingen.

In sommige gevallen is het proces nog niet volledig ontwikkeld en is er intensief onderzoek en ontwikkeling nodig om het te verbeteren. De metingen van de diffusiegewogen magnetische resonantietomografie bieden vaak slechts een beperkte beeldkwaliteit omdat de diffusiebeweging alleen tot uiting komt door een verzwakking van het gemeten signaal. Zelfs met een hogere ruimtelijke resolutie is weinig vooruitgang geboekt, aangezien bij kleinere volume-elementen de signaalverzwakking verdwijnt in de ruis van de meetapparatuur. Daarnaast is een groot aantal individuele metingen nodig.

De meetgegevens moeten in de computer worden herwerkt om enkele storingen te kunnen corrigeren. Tot nu toe zijn er nog steeds problemen om een ​​complex diffusiegedrag op bevredigende wijze weer te geven. Volgens de huidige stand van de techniek kan de diffusie binnen een voxel slechts in één richting correct worden geregistreerd. Er worden methoden getest die gelijktijdig diffusiegewogen opnames in verschillende richtingen kunnen maken. Dit zijn processen die een hoge hoekresolutie vereisen.

Ook de methoden voor het evalueren en verwerken van de data moeten nog worden geoptimaliseerd. Zo werden in eerdere studies de data verkregen uit diffusiegewogen magnetische resonantie beeldvorming vergeleken met grotere groepen proefpersonen. Vanwege de verschillende anatomische structuren van verschillende individuen kan dit echter leiden tot misleidende studieresultaten. Daarom moeten nieuwe methoden voor statistische analyse worden ontwikkeld.