Diffusion Tensor Imaging (DTI)

Question 1

Diffusion

Accepted Answer

physikalischer zufälliger Prozess, der zur gleichmäßigen Verteilung von Teilchen führt > vollständige Durchmischung zweier Stoffe (Ionen und Moleküle)

Question 2

Tensor

Accepted Answer

Begriff aus der Mathematik: Skalar, Vektor, Matrix (konkret: 3x3-Matrix)

Question 3

DTI - allgemein

Accepted Answer

bildgebendes Verfahren nicht invasiv keine Kontrastmittel, keine schädliche Strahlung. Datengewinnung durch diffusionsgewichtete MRT-Sequenzen Beweglichkeit der Wassermoleküle im Körper wird durch Gewebeeigenschaften beeinflusst:> Zellgröße > Zelldichte und > Zellanordnung Anhand der gemessenen Diffusionseigenschaften kann die Orientierung von Nervenfasern bestimmt werden: => Rückschluss auf den Verlauf von Nervenfaserverbindungen=> Rückschlüsse auf zelluläre Struktur und Organisation=> Rückschlüsse auf krankhafte Veränderungen

Question 4

Vergleich MRT vs. DTI

Accepted Answer

MRT– pro Volumenelement (Voxel) wird nur ein einzelner Zahlenwert bestimmt, der im Schnittbild als Grauwert dargestellt werden kann– ermöglicht nur die Unterscheidung von verschiedenartigen Geweben, d.h. Abgrenzung von weißer und grauer Substanz, von weißer Substanz & Liquor usw. vs. DTI– es wird ein Tensor (konkret: eine 3×3-Matrix) berechnet, der das dreidimensionale Diffusionsverhalten beschreibt– ermöglicht auch Abgrenzung innerhalb der weißen Substanz

Question 5

bulk motion

Accepted Answer

...

Question 6

flow

Accepted Answer

...

Question 7

Isotrope Diffusion

Accepted Answer

frei im Raum gleichförmige Bewegung in alle Richtungen beschreibbar nur durch einen Diffusionskoeffizienten D z. B. Liquor

Question 8

Anisotrope Diffusion

Accepted Answer

gerichtete Bewegung entlang einer Achse (z.B. entlang von Axonen) unterschiedlich für verschiedene Richtungen die geometrische Verteilung lässt sich in einer elliptischen Form abbilden (Diffusionsellipsoid) z.B. weiße Hirnsubstanz

Question 9

Einflussfaktoren auf Diffusionsgewichtung

Accepted Answer

Signalverlust beeinflusst durch> Schnelligkeit der Diffusion D> Zeitliches Intervall zwischen den Gradienten Δ> Länge des Gradienten δ> Stärke des Gradienten G → Abschwächung des Signals durch Diffusion → Dephasierung

Question 10

Abbildung der Diffusion durch Diffusionsellipsoid

Accepted Answer

Durch x, y und z Koordinaten sind Formen nicht unterscheidbar=> Koordinaten sind für die Bestimmung des Diffusionsellipsoides unzureichend Für die genaue Beschreibung der anisotropen Diffusion ist ein Diffusions-Tensor nötig!

Question 11

Ermittlung der Parameter eines Tensors

Accepted Answer

DTI-Sequenzen müssen in mindestens sechs voneinander unabhängigen Gradientenrichtungen geschalten werden=> eine für jedes Voxel identische Abtastung des jeweiligen Diffusionsellipsoiden (Tensors) erste Aufnahme nicht diffusionsgewichtet (Basisbild) => dann mindestens sieben Aufnahmen pro Schicht (für die unterschiedliche Richtung)für die anderen sechs jeweils ein Gradient in eine bestimmte Richtung x, y, z - Gradient wird entlang den x, y, z - Achsen induziert x+y, x+z, y+z : zwei gleichstarke Gradienten gleichzeitig entlang von zwei Achsen ein non-diffusion weighted image (ohne Signalabfall) um einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, sind immer zwei Datenpunkte nötig!

Question 12

Artefakte Corregistration error

Accepted Answer

charakteristisch für jede quantitive MR Bildgebung verursacht durch Körperbewegungen (mehr als 2-3 mm)

Question 13

Artefakte Ghosting effect

Accepted Answer

entsteht nur bei diffusiongewichteten Bildern verursacht durch „bulk motion”

Question 14

Reduktion des Ghosting-Effects Multi-Shot-Imaging-Technik

Accepted Answer

alle Scans werden auf einmal aufgenommen die Phasenverschiebung wird überwacht und mit post-processing Methoden aufgehoben

Question 15

Reduktion des Ghosting-Effects Single-Shot-Technik (Echo-Planar-Imaging)

Accepted Answer

ganzer k-Raum wird mit einem Scan aufgenommen > völlige Aufhebung des Ghosting Effects > aber: Verschlechterung der Bildqualität

Question 16

2D-Visualisierung

Accepted Answer

Errechnet aus Form, Größe und Orientierung des Diffusionsellipsoids >Formbestimmung:– Grad der Anisotropie– abhängig von Myelinscheide der Axone Organisation des axonalen Zytoskeletts Membrandichte des Gewebes > Größenbestimmung:Parameter: „Spur“ (trace) = Summe der Diagonalelemente Bestimmung der Orientierung => Farbgebung> längste Achse des Tensors (λ1) durch Farbe kodiert– rot: rechts/links– grün: superior/inferior– blau: anterior/posterior

Question 17

3D Traktographie (Fiber Tracking)

Accepted Answer

Darstellung des Verlaufs von Nervenfasern> Transformation der Daten von 2D in 3D jedes Pixel wird nach seinen Koordinaten mit einem weiteren Pixel assoziert (pixel-by-pixel Analyse)

Question 18

3D Traktographie - Verfahren Darstellung von Hyper-Stromlinien

Accepted Answer

Verlauf der Linien folgt der Richtung des größten Diffusions-Koeffizienten Zwei Ansätze: – ROI (region of interest): Die Fasern werden aus einer vorbestimmten Region gestartet – „brute force“ Ansatz: aus jedem Voxel wird eine Linie gestartet > zeitaufwendiger, > bietet aber wesentlich umfangreichere Darstellung der Fasern Es wird der sog. FACT6-Algorithmus verwendet– erzeugt eine einfache, lineare Fortsetzung der Linie entsprechend des Winkels des größten Eigenvektors– es werden nur die Fasern in Voxeln mit einer FA größer einem Schwellwert gestartet (Grund: Vermeidung von Fehlern durch Rauschen und andere Störungen)– Fasern in Pixeln mit FA kleiner dieses Schwellwertes werden abgebrochen

Question 19

3D Traktographie - Verfahren Probabilistische Traktographie

Accepted Answer

Wahrscheinlichkeitskartenes werden nicht die tatsächlichen Faserverläufe rekonstruiert für jedes Voxel wird eine Wahrscheinlichkeit berechnet, die beschreibt, ob eine Verbindung zu dem definierten Saatpunkt existiert > es stellt sich im Prinzip immer die gleiche Frage:„Existiert eine Verbindung zwischen einem Voxel unddem Saatpunkt?“ - Antwort: „Ja“ oder „Nein“ Informationen über den Verlauf der Fasern sind nicht eindeutig! Wahrscheinlichkeitskarten spezifizieren den Grad der Sicherheit, dass tatsächlich eine Verbindung zwischen einem Saatpunkt und einem Voxel existiert => Sicherheit der Aussage nimmt mit zunehmenderDistanz zum Saatpunkt ab

Question 20

DTI Einsatzmöglichkeiten

Accepted Answer

Schlaganfall-Diagnostik:– Abgrenzung von betroffenem und gesundem Hirngewebe– Im betroffenen Gewebe oft schon nach wenigen Minuten geringere Diffusions-Koeffizienten Operationsplanung– chirurgische Eingriffe im Gehirn– Bestrahlung von Hirntumoren> trägt dazu bei, Nervenbahnen so weit wie möglich zu erhalten (Verletzung würde ggf. zu bleibenden Funktionsausfällen führen) Forschung– Reifungsstadien des Gehirns bei Neugeborenen, pädiatrischen Patienten und bei angeborenen Stoffwechselerkrankungen(Schneider et al. 2003)– Alterungsprozesse des menschlichen Gehirns (Pfefferbaum et al. 2000)– Quantitative Analyse der Diffusions-Tensor- Bildqualität (DTI) unter Verwendung von paralleler Bildgebung in der Hochfeld-MRT(Flatz, Wilhelm Harald 2007) – Detektion von Hirnnervenfasern auf der Basis von diffusionsgewichteten Magnetresonanzdaten(Kreher, Björn Wolf 2007)

Methoden der kognitiven Neurowissenschaften (Fach) / Diffusion Tensor Imaging (DTI) (Lektion)