Визуализация тензора диффузии

Визуализация тензора диффузии или также диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография (DW-MRI) представляет диффузионное поведение молекул воды в биологической ткани как метод визуализации, основанный на классической МРТ. Он в основном используется при исследованиях мозга. Подобно классической МРТ, процедура неинвазивна и не требует использования ионизирующего излучения.

Что такое диффузионная тензорная визуализация?

Диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография - это метод магнитно-резонансной томографии (МРТ), который измеряет диффузионные движения молекул воды в тканях тела.

В клинической практике он в основном используется для исследования мозга, поскольку диффузионное поведение воды позволяет делать выводы о некоторых заболеваниях центральной нервной системы. С помощью диффузионно-взвешенной магнитно-резонансной томографии или диффузионно-тензорной визуализации можно также получить информацию о ходе больших пучков нервных волокон. В часто используемой диффузионной тензорной визуализации (DTI), варианте DW-MRI, также регистрируется направленная зависимость диффузии.

DTI вычисляет тензор на единицу объема, который используется для описания трехмерного поведения диффузии. Однако из-за огромного количества требуемых данных эти измерения занимают значительно больше времени, чем классическая МРТ. Данные можно интерпретировать только с помощью различных методов визуализации. Сегодня диффузионная тензорная визуализация, появившаяся в 1980-х годах, поддерживается всеми новыми устройствами МРТ.

Функция, эффект и цели

Как и обычная магнитно-резонансная томография, диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография основана на том факте, что протоны имеют спин с магнитным моментом. Спин может выстраиваться параллельно или антипараллельно внешнему магнитному полю.

Антипараллельное выравнивание имеет более высокое энергетическое состояние, чем параллельное выравнивание. При приложении внешнего магнитного поля устанавливается равновесие в пользу протонов с низкой энергией. Если через это поле включается высокочастотное поле, магнитные моменты меняются местами в направлении плоскости xy в зависимости от силы и длительности импульса. Это состояние известно как ядерный магнитный резонанс. Когда высокочастотное поле снова выключается, ядерные спины снова выравниваются в направлении статического магнитного поля с задержкой по времени, которая зависит от химического окружения протона.

Сигнал регистрируется через напряжение, генерируемое в измерительной катушке. В диффузионно-взвешенной магнитно-резонансной томографии во время измерения прикладывается градиентное поле, которое изменяет напряженность статического магнитного поля в заданном направлении. Это приводит к тому, что ядра водорода выходят из фазы, и сигнал исчезает. Если направление вращения сердечников меняется на противоположное с помощью нового высокочастотного импульса, они возвращаются в фазу, и сигнал появляется снова.

Однако интенсивность второго сигнала слабее, потому что некоторые ядра больше не в фазе. Эта потеря интенсивности сигнала описывает диффузию воды. Чем слабее второй сигнал, тем больше ядер диффундирует в направлении градиентного поля и тем ниже сопротивление диффузии. Сопротивление диффузии, в свою очередь, зависит от внутренней структуры нервных клеток. С помощью данных измерений можно рассчитать и проиллюстрировать структуру исследуемой ткани.

Диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография часто используется в диагностике инсульта. Выход из строя натрий-калиевых насосов в случае инсульта серьезно ограничивает диффузионные движения. С DW-MRI это сразу видно, в то время как с помощью обычного MRI изменения часто можно зарегистрировать только через несколько часов. Еще одна область применения связана с планированием операций в хирургии головного мозга.

Визуализация тензора диффузии определяет ход нервных путей. Это необходимо учитывать при планировании операции. Записи также могут показать, проникла ли опухоль в нервные пути. Этот метод также можно использовать для оценки того, есть ли у операции какие-либо перспективы. Многие неврологические и психические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, эпилепсия, рассеянный склероз, шизофрения или ВИЧ-энцефалопатия, в настоящее время являются предметом исследований в области визуализации тензора диффузии. Вопрос в том, какие области мозга поражены какими заболеваниями. Визуализация тензора диффузии также все чаще используется в качестве исследовательского инструмента для исследований в области когнитивных наук.

Риски, побочные эффекты и опасности

Несмотря на хорошие результаты в диагностике инсультов, при подготовке к операциям на головном мозге и в качестве исследовательского инструмента во многих клинических исследованиях, диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография все еще имеет свои пределы применения.

В некоторых случаях процесс еще не полностью разработан и требует интенсивных исследований и разработок для его улучшения. Измерения диффузионно-взвешенной магнитно-резонансной томографии часто дают только ограниченное качество изображения, потому что диффузионное движение выражается только ослаблением измеряемого сигнала. Небольшой прогресс был достигнут даже в отношении более высокого пространственного разрешения, поскольку с меньшими объемными элементами затухание сигнала исчезает в шуме измерительного устройства. Кроме того, необходимо большое количество индивидуальных замеров.

Данные измерений необходимо переработать на компьютере, чтобы можно было исправить некоторые нарушения. Пока еще существуют проблемы, чтобы удовлетворительно представить сложное диффузионное поведение. Согласно текущему уровню техники, диффузия в вокселе может быть правильно записана только в одном направлении. Испытываются методы, позволяющие одновременно производить взвешенные по диффузии записи в разных направлениях. Это процессы, требующие высокого углового разрешения.

Методы оценки и обработки данных также нуждаются в оптимизации. В предыдущих исследованиях, например, данные, полученные с помощью диффузно-взвешенной магнитно-резонансной томографии, сравнивались с более крупными группами испытуемых. Однако из-за разного анатомического строения разных людей это может привести к неверным результатам исследования. Вот почему необходимо разработать новые методы статистического анализа.