Difuzijsko tenzorstvo

The Difuzijsko tenzorstvo ali magnetnoresonančno slikanje z difuzijsko tehtanjem (DW-MRI) je slikovna metoda, ki temelji na klasični MRI, ki prikazuje difuzijsko vedenje vodnih molekul v biološkem tkivu. Uporablja se predvsem pri preiskavah možganov. Podobno kot pri klasični MRI je postopek neinvaziven in ne zahteva uporabe ionizirajočega sevanja.

Kaj je difuzijski tenzor?

Difuzijsko tehtanje magnetne resonance je metoda slikanja z magnetno resonanco (MRT), ki meri difuzijske premike molekul vode v telesnem tkivu.

V klinični praksi se uporablja predvsem za preučevanje možganov, ker difuzijsko vedenje vode omogoča sklep o nekaterih boleznih centralnega živčnega sistema. S pomočjo difuzijsko tehtane magnetnoresonančne tomografije ali slikanja difuzijskega tenzorja je mogoče pridobiti tudi informacije o poteku velikih snopov živčnih vlaken. Pri pogosto uporabljenem difuzijskem tenzorskem slikanju (DTI), različici DW-MRI, je zabeležena tudi usmerjena odvisnost difuzije.

DTI izračuna tenzor na enoto prostornine, ki se uporablja za opis tridimenzionalnega difuzijskega obnašanja. Vendar pa so zaradi velike količine potrebnih podatkov meritve bistveno zamudnejše od klasičnih MRI. Podatke je mogoče razlagati le z uporabo različnih tehnik vizualizacije. Danes difuzijsko tenzorsko slikanje, ki se je pojavilo v osemdesetih, podpirajo vse nove MRI naprave.

Funkcija, učinek in cilji

Tako kot konvencionalno slikanje z magnetno resonanco tudi difuzijsko tehtanje magnetne resonance temelji na dejstvu, da se protoni zavrtijo z magnetnim trenutkom. Predenje se lahko poravna ali vzporedno ali proti vzporedno z zunanjim magnetnim poljem.

Proti vzporedna poravnava ima višje energijsko stanje kot vzporedna poravnava. Pri uporabi zunanjega magnetnega polja se vzpostavi ravnotežje v korist nizkoenergijskih protonov. Če se čez to polje vklopi visokofrekvenčno polje, se magnetni momenti prelevijo v smeri ravnine xy, odvisno od jakosti in trajanja impulza. To stanje poznamo kot jedrsko magnetno resonanco. Ko se visokofrekvenčno polje znova izklopi, se jedrski vreteni spet poravnajo v smeri statičnega magnetnega polja s časovno zamudo, ki je odvisna od kemičnega okolja protona.

Signal se registrira preko napetosti, ustvarjene v merilni tuljavi. Pri difuzijsko tehtani magnetni resonančni tomografiji med meritvijo uporabimo gradientno polje, ki spreminja jakost statičnega magnetnega polja v vnaprej določeno smer. Zaradi tega vodikova jedra gredo iz faze in signal izgine. Če smer vrtenja jeder obrne nov visokofrekvenčni impulz, se vrnejo v fazo in signal se ponovno pojavi.

Intenzivnost drugega signala pa je šibkejša, ker nekatera jedra niso več v fazi. Ta izguba intenzivnosti signala opisuje difuzijo vode. Čim šibkejši je drugi signal, tem več je jeder razpršenih v smeri gradientnega polja in nižja je difuzijska upornost. Odpornost proti difuziji je odvisna od notranje strukture živčnih celic. S pomočjo izmerjenih podatkov lahko izračunamo in ponazorimo strukturo preiskovanega tkiva.

Difuzijsko tehtanje magnetne resonance se pogosto uporablja pri diagnostiki kapi. Odpoved natrijeve-kalijeve črpalke v primeru kapi močno omeji difuzijska gibanja. Z DW-MRI je to takoj vidno, medtem ko je pri običajni MRI spremembe mogoče registrirati šele po nekaj urah. Drugo področje uporabe se nanaša na načrtovanje operacij v možganski kirurgiji.

Difuzijsko slikanje tenzorja določa potek živčnih poti. To je treba upoštevati pri načrtovanju operacije. Posnetki lahko kažejo tudi, ali je tumor že prodrl v živčni trakt. Ta metoda se lahko uporabi tudi za oceno vprašanja, ali ima operacija sploh nobene možnosti. Številne nevrološke in psihiatrične bolezni, kot so Alzheimerjeva bolezen, epilepsija, multipla skleroza, shizofrenija ali HIV encefalopatija, so zdaj predmet raziskav pri slikanju z difuzijskim tenzorjem. Vprašanje je, katere možganske regije prizadenejo, katere bolezni. Difuzijsko tenzorsko slikanje se vedno pogosteje uporablja tudi kot raziskovalno orodje za kognitivne znanosti.

Tveganja, neželeni učinki in nevarnosti

Kljub dobrim rezultatom pri diagnozi možganskih kapi, pri pripravi možganskih operacij in kot raziskovalnem orodju v mnogih kliničnih študijah ima difuzijsko tehtana magnetna resonančna tomografija še vedno svoje meje uporabe.

V nekaterih primerih postopek še ni v celoti razvit in za njegovo izboljšanje je potrebno intenzivno raziskovalno in razvojno delo. Na primer, meritve difuzijsko tehtane magnetne resonančne tomografije pogosto ponujajo le omejeno kakovost slike, ker se difuzijsko gibanje izrazi le z oslabitvijo izmerjenega signala. Majhen napredek je bil dosežen tudi pri višji prostorski ločljivosti, saj pri manjših glasnostnih elementih slabljenje signala izgine v hrupu merilnih aparatov. Poleg tega je potrebno veliko število posameznih meritev.

Podatke meritev je treba ponovno obdelati v računalniku, da lahko popravite nekatere motnje. Zaenkrat še vedno obstajajo težave, da bi predstavljali kompleksno difuzijsko vedenje zadovoljivo. Glede na trenutno stanje difuzije znotraj voxla je mogoče pravilno zabeležiti le v eno smer. Preizkušajo se metode, ki lahko istočasno naredijo difuzijsko utežene posnetke v različnih smereh. To so procesi, ki zahtevajo visoko kotno ločljivost.

Tudi metode vrednotenja in obdelave podatkov je še vedno treba optimizirati. V prejšnjih raziskavah so bili na primer podatki, pridobljeni z difuzijsko tehtanjem magnetne resonance, za večje skupine testnih oseb primerjali med seboj. Zaradi različnih anatomskih struktur različnih posameznikov pa lahko to privede do zavajajočih rezultatov študije. Zato je treba razviti nove metode za statistično analizo.