Diffusionstensor Imaging (DTI)

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Diffusionstensor Imaging (DTI)

Diffusions iffusions Tensor ensor Imaging maging

Seminarvortrag

Physikalische Grundlagen der Medizinischen Bildgebung

Jana Kraus

18. Juni 2007


Überblick

• Bildgebendes Verfahren zur Messung und Darstellung der

Diffusionsbewegung von Wassermolekülen im Gehirn mit Hilfe von

MRT

• Diffusionsverhalten (Stärke der Diffusion, Anisotropie) liefert

Erkenntnisse über Mikrostruktur des Gewebes und zeigt

krankheitsbedingte Anomalien auf

� Rückschlüsse auf Verlauf großer Nervenbahnen (Fiber Tracking)

� Erkenntnisse über Veränderungen bei Erkrankungen des zentralen

Nervensystems (z.B. Diagnose von Schlaganfall)


Inhaltliche Übersicht

• Grundlagen der Diffusion

• Diffusionsgewichtete MRT

Diffusionstensor

• Visualisierungsmethoden

• Klinische Anwendungen

• Fazit


Grundlagen der Diffusion

• Diffusion basiert auf

Brownscher Molekularbewegung (Einstein 1905)

� Zufällige statistisch verteilte Bewegung von

Molekülen in alle Raumrichtungen entstehend

durch Stöße untereinander

• Ficksches Gesetz:

J

D

r

Teilchenstrom entlang Konzentrationsgefälle

Diffusionskoeffizient

J = D∇c

r r

� Maß für die Geschwindigkeit des Prozesses

∇c r

� abhängig von Temperatur, Viskosität des Mediums und Molekülgröße


Unterschiedliche Diffusionsarten im Gewebe

Im Gewebe:

Bewegungseinschränkung durch Hindernisse wie Zellmembranen,

Nervenfasern, Makromoleküle

� Zwei Arten der Diffusion

• isotrop

Beschränkungen gleichverteilt im

Raum, gleichgroße Diffusion in

alle Raumrichtungen

• anisotrop

Beschränkungen ungleich verteilt,

Diffusion unterschiedlich groß in

verschiedenen Raumrichtungen

(z.B. bei Nervenfasern)


Diffusionsgewichtete MRT

• Methode zur Messung und Darstellung der unterschiedlichen

Diffusionsraten im Gehirngewebe

• Grundlage der diffusionsgewichteten MRT ist die Ausrichtung der Spins

von Wasserstoff-Kernen in Magnetfeldern

• Messung der Diffusion geschieht durch Zuschalten von Magnet-

Gradientenfeldern

• 1965 von Edward O. Stejskal und John E. Tanner beschriebene

Methode

• 1985 erstmals Diffusionsmessung mit MRT durch Denis LeBihan


Zugrunde liegt Spin-Echo-Sequenz:

Signalerzeugung

• In äußerem homogenen B-Feld richten sich Spins aus, es entsteht eine

Magnetisierung

• 90° RF-Puls kippt Magnetisierung in x-y-Ebene, alle Kerne laufen

zunächst gleichphasig mit Larmorfrequenz um das Magnetfeld

• Durch Spin-Spin-Wechselwirkung laufen die Phasen der Kerne

auseinander

• 180° RF-Puls invertiert die Phasen nach Zeit

T

• Wiederum nach haben alle Spins erneut die gleiche Phase

� Echo-Signal wird erzeugt

E

/ 2

T

E

/ 2


Signalerzeugung

• Zur Messung der Diffusionsbewegung werden zwei gleichgroße zeitlich

konstante Gradientenfelder eingestrahlt, einer vor und einer nach dem

invertierenden Puls


Wirkung der Gradienten

• 1. Gradientenfeld: Dephasierung der Spins in x-y-Ebene (Kerne spüren

je nach Position unterschiedlich großes Magnetfeld)

• 2. Gradientenfeld auf inverse Signale:

� für unbewegte Spins Rephasierung: Echo-Signal unabgeschwächt

� für in der Zeit zwischen den Gradienten-Pulsen diffundierte Teilchen

in Richtung des Gradienten keine komplette Rephasierung:

Signalabschwächung

• Die aufgrund von Feldinhomogenitäten erfolgende Dephasierung

dagegen wird durch den inversen 180° Puls aufgehoben


Mit

Diffusion

Ohne

Diffusion

Wirkung der Gradienten


Abschwächung Signal

• Für die Abschwächung in einem Voxel gilt:

• b wird durch Eigenschaften Gradientenpuls

bestimmt (Dauer, Amplitude, Zeit zwischen Pulsen

(=Diffusionszeit))

• D ist der „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC)

für ein Voxel

S

• Über Vermessung aller Voxel können ADC-Maps

im Gehirn erzeugt werden (Graustufe = Grad der

Abschwächung = Stärke der Diffusion)

• ABER: keine Information über Raumorientierung,

Anisotropien

= S e 0

−bD


Abschwächung Signal


Diffusionstensor

• Möglichkeit der Bestimmung der ADC in alle drei Raumrichtungen

• Messung und Darstellung der Anisotropie in Gewebe

� Modell des Diffusionstensors (symmetrische 3x3 Matrix)

⎛D


D

= ⎜D


⎝D

� Sechs Freiheitsgrade

xx

xy

xz

D

D

D

xy

yy

yz

D

D

D

xz

yz

zz






Diagonalisierung

• Zur Bestimmung der Hauptrichtungen der Diffusionsbewegung

Diagonalisierung Tensor

D

=

⎛λ1


⎜ 0


⎝ 0

0 ⎞


0 ⎟

λ ⎟

3 ⎠

• Eigenwerte (Diagonaleinträge) sind ADC in dieser Richtung

• Eigenvektoren geben Hauptrichtung der Diffusion an

0

λ

2

0


Darstellung als Ellipsoid

• Tensor kann als Diffusionsellipsoid dargestellt werden

x'


T

1

2

2

2

y'

z'

+ + = 1


T 2λ

T

• Größe des Ellipsoids – Diffusionskoeffizienten

• Exzentrizität des Ellipsoids – Grad der Anisotropie

(für isotrope Strukturen: Kugel)

2

3

• Orientierung – Orientierung der Hauptachsen der Diffusionskoeffizienten


• Sechs Messungen pro

Schicht nötig + eine ohne

Diffusionsgewichtung zur

vollständigen Bestimmung

der Tensoreinträge

• Gradienten müssen in der

jeweils zugehörigen Richtung

eingestrahlt werden

• Durch niedriges SNR sind oft

mehr Messungen nötig,

Errechnung des Tensors

geschieht durch lineare

Regression

Messungen


FA

RA

VR

• Mittlerer Diffusionskoeffizient

Messbare Größen

• Grad der Anisotropie: Fractional Anisotrophy (FA), Relative Anisotrophy

(RA), Volume Ratio (VR):

=

=

3

[ 2

2

2 ] 2 2 2

( λ − λ ) + ( λ − λ ) + ( λ − λ ) / 2(

λ + λ + λ )

1

2

2

( λ − λ ) + ( λ − λ ) + ( λ − λ ) / 3

1

= λ λ λ / λ

1

2

3

Mittlere

Diffusion

3

2

2

3

3

2

λ

1

2

3

Fractional

Anisotropy

(FA)


Ergebnisse der Tensormessung

• Unterschiedliche Stärke der Diffusion in bestimmten

Bereichen

• Stärke der Anisotropie in weißer Substanz

• Orientierung der Fasern im Gehirn

• Problem: Größe eines Voxels größer als kleine Fasern –

können nicht aufgelöst werden, ADC und Anisotropie sind

nur Mittelwerte in jeweiligem Voxel


Ergebnisse der Tensormessung

• Gewebearten im Gehirn mit

unterschiedlich großer

Diffusionsrate und Anisotropie:

� Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit

CSF (isotrop, hohe

Diffusionsrate)

� graue Substanz (isotrop,

geringere Diffusionsrate)

� weiße Substanz (anisotrop)


Ergebnisse der Tensormessung


Visualisierungsmethoden

• Grauskala (Helligkeit abhängig von Diffusionskoeffizient/ Anisotropie)

• Farbskala (Richtung größter Diffusionskoeffizient)

• Ellipsoide (gesamte Information aus Tensor)

• Vektoren (Eigenvektor der Richtung mit der größten Diffusion)

• 3D Fasern


Grau- Grau und Farbskala


Ellipsoide


Vektoren


• Diagnose Schlaganfall

• Fiber Tracking

Klinische Anwendungen

• Erforschung von strukturellen Vernetzungen im Gehirn

• Erforschung von Krankheiten mit Veränderungen der weißen Substanz

(Multiple Sklerose, Alzheimer, Schizophrenie)

• Erforschung des Gehirnreifungsprozesses

• Planung chirurgischer Eingriffe und Bestrahlungstherapien


Diagnose Schlaganfall

• Bei akutem Schlaganfall sinkt nach wenigen Minuten die Diffusion der

Wassermoleküle in den betroffenen Regionen um 30-50%

� frühzeitige Erkennung mit DTI möglich, so dass rechtzeitig

Behandlung erfolgen kann

• Genaue Mechanismen für Diffusionsrückgang noch nicht bekannt,

Ausfall der Natrium-Kalium-Pumpen im betroffenen Bereich, so dass

extrazelluläres Wasser in Zellen eindringt


Bild MRT

3 Std. nach

Infarkt

Diagnose Schlaganfall

Bild DTI

3 Std. nach

Infarkt

Bild DTI

5 Tage nach

Infarkt


Fiber Tracking

• Verfolgung von Nervenfasern im Gehirn durch

Messung der Hauptdiffusionsrichtung in einem

Voxel (= Ausrichtung Faser)

• Verschiedene Algorithmen zur Verfolgung der

Bahnen (z. B. Line-Propagation (Seed-Setzung),

Minimal Bending)

� Informationen über strukturelle Verbindungen

zwischen verschiedenen Hirnarealen

� Erkenntnisse über Einschränkung/Fehlen von

Verbindungen aufgrund von Krankheiten

• Problem: sich kreuzende und verzweigende

Fasern in einem Voxel nicht auflösbar, ebenso

wie kleine Fasern


Fiber Tracking


Fiber Tracking


Fazit

Vor- Vor und Nachteile

+

• Erforschung der weißen Hirnsubstanz in vivo, nicht invasiv

• Messmethode hat keinen Einfluss auf Diffusionsvorgang

• Frühdiagnose Schlaganfall

• Erkenntnisse über strukturelle Vernetzungen, Gehirnreifungsprozesse

• Forschungspotential für Untersuchung von Krankheiten in der weißen

Hirnsubstanz

-

• Geringe Bildauflösung

• Höheres Rauschen wegen Signalabschwächung

• Längere Messung durch Aufnahme mehrerer Bilder (Bewegungsartefakte)

• Keine Faserkreuzungen, -verzweigungen beobachtbar


Ausblick

• Weitere Erkenntnisse (zusammen mit fMRT) über

Funktionsweise und Vernetzungen des Gehirns sowie

Reifungsprozesse

• Diagnose und Ursachensuche von Krankheiten in der

weißen Substanz

• Entwicklung extrem starker Magnetgradienten zur

Verbesserung der Ortsauflösung

• Weiterentwicklung von Methoden zur Datengewinnung

und –auswertung der diffusionsgewichteten Messungen

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