Diffusions-Tensor-Bildgebung

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 9. Oktober 2017
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Die Diffusions-Tensor-Bildgebung oder auch diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (DW-MRI) stellt als bildgebendes Verfahren auf der Grundlage der klassischen MRT das Diffusionsverhalten von Wassermolekülen im biologischen Gewebe bildlich dar. Sie findet hauptsächlich bei Untersuchungen des Gehirns Anwendung. Analog zur klassischen MRT ist das Verfahren nicht-invasiv und erfordert keinen Einsatz ionisierender Strahlung.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Diffusions-Tensor-Bildgebung?

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie ist ein Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT), welches die Diffusionsbewegungen der Wassermoleküle im Körpergewebe misst.

In der klinischen Praxis wird sie hauptsächlich zur Untersuchung des Gehirns eingesetzt, denn das Diffusionsverhalten des Wassers erlaubt Rückschlüsse auf einige Erkrankungen des zentralen Nervensystems. Mithilfe der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie oder der Diffusions-Tensor-Bildgebung können auch Informationen über den Verlauf der großen Nervenfaserbündel gewonnen werden. Bei der häufig eingesetzten Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI), einer Variante der DW-MRI, wird auch die Richtungsabhängigkeit der Diffusion erfasst.

Die DTI berechnet pro Volumeneinheit einen Tensor, der zur Beschreibung des dreidimensionalen Diffusionsverhaltens dient. Allerdings sind diese Messungen aufgrund der benötigten immensen Datenmengen deutlich zeitaufwendiger als die klassische MRT. Die Daten können erst über den Einsatz verschiedener Visualisierungs-Techniken interpretiert werden. Heute wird die in den achtziger Jahren entstandene Diffusions-Tensor-Bildgebung von allen neuen MRT-Geräten unterstützt.

Funktion, Wirkung & Ziele

Wie die herkömmliche Magnetresonanztomographie basiert die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie auf der Tatsache, dass Protonen einen Spin mit einem magnetischen Moment besitzen. Der Spin kann sich einem äußeren Magnetfeld entweder parallel oder antiparallel ausrichten.

Dabei besitzt die antiparallele Ausrichtung einen höheren energetischen Zustand als die parallele Ausrichtung. So stellt sich bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ein Gleichgewicht zugunsten der niederenergetischen Protonen ein. Wird quer zu diesem Feld ein Hochfrequenzfeld eingeschaltet, klappen die magnetischen Momente in Abhängigkeit von Stärke und Dauer des Pulses in Richtung der xy-Ebene um. Dieser Zustand wird als Kernspinresonanz bezeichnet. Wenn das Hochfrequenzfeld wieder abgeschaltet wird, richten sich die Kernspins mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der chemischen Umgebung des Protons abhängig ist, wieder in Richtung des statischen Magnetfeldes aus.

Das Signal wird über die erzeugte Spannung in der Messspule registriert. Bei der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie wird während der Messung ein Gradientenfeld angelegt, welches die Feldstärke des statischen Magnetfeldes in eine vorgegebene Richtung verändert. Dadurch geraten die Wasserstoff-Kerne außer Phase und das Signal verschwindet. Wenn durch einen erneuten Hochfrequenzimpuls die Drehrichtung der Kerne umgedreht wird, gelangen sie wieder in Phase und das Signal tritt erneut auf.

Allerdings ist die Intensität des zweiten Signals schwächer, weil einige Kerne nicht mehr in Phase geraten. Dieser Intensitätsverlust des Signals beschreibt die Diffusion des Wassers. Je schwächer das zweite Signal ist, desto mehr Kerne sind in Richtung des Gradientenfeldes diffundiert und desto niedriger ist auch der Diffusionswiderstand. Der Widerstand gegen die Diffusion ist aber wiederum von der inneren Struktur der Nervenzellen abhängig. So kann mithilfe der gemessenen Daten die Struktur des untersuchten Gewebes errechnet und bildlich dargestellt werden.

In der klinischen Praxis wird die Diffusions-Tensor-Bildgebung hauptsächlich zur Untersuchung des Gehirns eingesetzt, denn das Diffusionsverhalten des Wassers erlaubt Rückschlüsse auf einige Erkrankungen des zentralen Nervensystems.

Eine häufige Anwendung findet die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie bei der Schlaganfalldiagnostik. Durch den Ausfall der Natrium-Kalium-Pumpen beim Schlaganfall kommt es zu starken Einschränkungen der Diffusionsbewegungen. Das wird bei der DW-MRI sofort sichtbar, während bei der herkömmlichen MRT die Veränderungen oft erst nach mehreren Stunden registriert werden können. Ein weiteres Anwendungsgebiet bezieht sich auf die Operationsplanung bei einer Hirnoperation.

Die Diffusions-Tensor-Bildgebung stellt den Verlauf der Nervenbahnen fest. Das muss bei der Operationsplanung berücksichtigt werden. Des Weiteren können die Aufnahmen auch zeigen, ob bereits ein Tumor in die Nervenbahn eingedrungen ist. Auch die Frage, ob eine Operation überhaupt aussichtsreich ist, kann mithilfe dieser Methode abgeschätzt werden. Viele neurologische und psychiatrische Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Epilepsie, Multiple Sklerose, Schizophrenie oder HIV-Enzephalopathie, sind heute Forschungsgegenstand der Diffusions-Tensor-Bildgebung. Dabei geht es um die Frage, welche Hirnregionen bei welchen Erkrankungen betroffen sind. Auch für kognitionswissenschaftliche Studien wird die Diffusions-Tensor-Bildgebung zunehmend als Forschungsinstrument eingesetzt.

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Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren

Trotz ihrer guten Ergebnisse bei der Diagnostik von Schlaganfällen, bei der Operationsvorbereitung von Hirnoperationen und als Forschungsinstrument bei vielen klinischen Studien stößt die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie heute noch auf Grenzen ihrer Anwendung.

Teilweise ist das Verfahren noch nicht ausgereift und bedarf intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu seiner Verbesserung. So bieten die Messungen der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie oft nur eine eingeschränkte Bildqualität, weil sich die Diffusionsbewegung nur durch eine Abschwächung des gemessenen Signals äußert. Wenig Fortschritte sind auch bei einer höheren Ortsauflösung zu verzeichnen, da bei kleineren Volumenelementen die Signalabschwächungen im Rauschen der Mess-Apparatur verschwinden. Außerdem ist eine große Anzahl von Einzelmessungen notwendig.

Die Messdaten müssen im Computer nachgearbeitet werden, um Störungen zum Teil korrigieren zu können. Bisher gibt es auch noch Probleme, ein komplexes Diffusionsverhalten befriedigend darzustellen. Nach dem heutigen Stand der Technik kann die Diffusion innerhalb eines Voxels nur in einer Richtung korrekt erfasst werden. Es werden Verfahren erprobt, die gleichzeitig in verschiedene Richtungen diffusionsgewichtete Aufnahmen machen können. Das sind Verfahren, die eine hohe Winkelauflösung erfordern.

Auch die Methoden zur Auswertung und Weiterverarbeitung der Daten bedürfen noch einer Optimierung. So wurden in früheren Studien die aus der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie ermittelten Daten größerer Probandengruppen miteinander verglichen. Aufgrund der unterschiedlichen anatomischen Strukturen verschiedener Individuen kann das aber zu irreführenden Studienergebnissen führen. Deshalb müssen auch neue Methoden zur statistischen Auswertung entwickelt werden.

Bücher über Magnetresonanztomographie

Quellen

  • Bücheler, E., et al.: Einführung in die Radiologie: Diagnostik und Interventionen. Thieme, Stuttgart 2006
  • Schwarzmüller, G., Silberstein, E.: Angewandte Magnetresonanztomographie. Facultas, Wien 2010
  • Wetzke, M. et. al.: Bildgebende Verfahren. Urban & Fischer, München 2012

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