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Diffusionsbildgebung

Mithilfe der MR-Diffusionsbildgebung ist es möglich, die Stärke der Molekularbewegung von Wassermolekülen quantitativ zu bestimmen. Diese Molekularbewegung, Diffusion genannt, ist im Gewebe durch Zellmembranen eingeschränkt. Die Diffusionsbildgebung ermöglicht es, diese Einschränkungen der Diffusion ortsaufgelöst und sogar richtungsabhängig zu messen und auf diese Weise Informationen über die Gewebemikrostruktur zu erhalten. So ist die Diffusion in myelinisierten neuronalen Strängen in Richtung der Fasern weniger behindert als senkrecht zu ihnen. Die Diffusion innerhalb der Voxel (volume elements = dreidimensionale Bilddatenpunkte) wird häufig mathematisch als Tensor (mit der geometrischen Entsprechung eines Ellipsoiden) beschrieben. Bei dieser Vorgehensweise, genannt Diffusionstensor-Bildgebung (DTI), wird für jedes Voxel ein Tensor an die richtungsabhängig gemessenen Diffusionsdaten angefittet. Aus den berechneten Tensoren, genauer aus deren Eigenwerten, lassen sich jeweils zwei unabhängige skalare Maße, die mean diffusivity und der fractional anisotropy index, berechnen, die sich dann wieder als dreidimensionale Bilddatensätze kartieren lassen. Dabei ist die mean diffusivity der Mittelwert aller drei Eigenwerte und stellt damit einen richtungsunabhängigen Mittelwert des Diffusionskoeffizienten im jeweiligen Voxel dar, während der fractional anisotropy index ein Maß für die Unterschiedlichkeit der Diffusion in unterschiedlichen Richtungen ist. Er ist am größten, wenn die Fasern in einem Voxel einheitlich ausgerichtet sind.

Diffusion imaging | Center for Lifespan Psychology
© MPI fuer Bildungsforschung

DTI erlaubt darüber hinaus die Nutzung der Richtungsinformation (räumliche Orientierung der einzelnen Tensoren bzw. Ellipsoide) für die Traktografie (= fiber tracking). Bei diesem Verfahren werden neuronale Faserverbindungen rekonstruiert, wobei die Richtungsinformation vieler, jeweils benachbarter Voxel benutzt wird. Allerdings erlaubt DTI nur ein recht vereinfachtes Bild der wirklichen Gewebestruktur, da aus den Tensoren für die einzelnen Voxel jeweils nur eine einzige Hauptrichtung berechnet werden kann. Damit ist eine Beschreibung von sich kreuzenden Fasern z.B. nicht möglich. Dies stellt bei einer typischen Auflösung mit einer Voxelgröße von 2 x 2 x 2 mm3 eine in vielen Bereichen des Gehirns relevante Einschränkung dar. Um die Realitätstreue zu verbessern, arbeitet das Projekt an der Umsetzung und Evaluierung anderer Verfahren wie z.B. dem Q-Ball-Imaging, welches die Modellierung komplexerer Diffusionsrichtungs-Profile gestattet. Die Anwendung solcher weiterentwickelten Diffusionsbildgebungsmethoden – auch in Kombination mit anderen quantitativen MRT-Verfahren wie Magnetisierungstransfer-Bildgebung und das Messen schnell abklingender T2-Relaxationskomponenten – eröffnet die Chance, aus MRT-Messungen ein realistischeres Bild der altersabhängigen mikrostrukturellen Veränderungen des Gehirns zu gewinnen.

Farbkodierte Kartierung

Farbcodiertes MRI | Color-coded DTI
© MPI fuer Bildungsforschung

Farbkodierte Kartierung der Hauptdiffusionsrichtungen: Rot steht für hauptsächliche links–rechts-Ausrichtung, blau für inferior–superiore und grün für anterior–posteriore Ausrichtung.

Literatur

Bodammer, N. C., Kaufmann, J., Kanowski, M., & Tempelmann, C. (2004). Eddy current correction in diffusion-weighted imaging using pairs of images acquired with opposite diffusion gradient polarity. Magnetic Resonance in Medicine, 51, 188–193. doi: 10.1002/mrm.10690

Bodammer, N. C., Kaufmann, J., Kanowski, M., & Tempelmann, C. (2009). Monte Carlo-based diffusion tensor tractography with a geometrically corrected voxel-centre connecting method. Physics in Medicine and Biology, 54, 1009–1033. doi: 10.1088/ 0031-9155/54/4/013