Диффузионное тензорное изображение (DTI)

Диффузионное тензорное изображение (DTI) является перспективным методом для характеристики микроструктурных изменений диференциальной диагностики психических и неврорлогических расстройств  и оценки эффективности их лечения. Тензор диффузии можно использовать для характеристики величины, анизотропии и ориентации. Существуют параллели между измерениями DTI и патологическими признаками белого вещества (ишемия, миелинизация, повреждение аксонов, воспаление и отек). Общими параметрами DTI являются — средняя диффузия (MD), фракционная анизотропия (FA), радиальная диффузия (Dr) и осевая диффузия (Da). Однако, каждый из этих параметров имеет свою ценность. В частности, FA очень чувствительна к изменениям микроструктуры, но не очень специфична к типу изменений (например, радиальному или осевому).

Измерение ослабления сигнала от диффузии воды является одним из наиболее важных контрастных механизмов нейровизуализации. В частности, диффузионное тензорное изображение (DTI) можно использовать для отображения и характеристики трехмерной диффузии воды в зависимости от пространственного расположения  объекта изучения. Тензор диффузии описывает величину, степень анизотропии и ориентацию диффузионной анизотропии. Оценки структур связности белого вещества в мозге из трактов могут быть получены с использованием диффузионной анизотропии и основных направлений диффузии.

Многие процессы развития, старения и патологии центральной нервной системы влияют на микроструктурный состав и макроструктуру пораженных тканей. Диффузионно-взвешенные (DW) МРТ-методы, включая DTI (этот метод очень чувствителен к изменениям на клеточном и микроструктурном уровне), являются потенциально мощными зондами для характеристики эффектов болезни и процессов старения на микроструктуру белого вещества. Новые последовательности импульсов и схемы кодирования тензора диффузии постоянно разрабатываются для улучшения пространственного разрешения и точности и нивелирования артефактов при измерениях диффузионного тензора.

Диффузия представляет собой случайное явление переноса, которое описывает передачу материала (например, молекул воды) из одного пространственного местоположения в другие места во времени. Диффузия воды в биологических тканях происходит внутри, снаружи, вокруг и через клеточные структуры. Распространение воды обусловлено прежде всего случайными тепловыми флуктуациями. Поведение воды далее модулируется взаимодействием с клеточными мембранами, субклеточными структурами и органеллами. Клеточные мембраны препятствуют диффузии воды, заставляя воду принимать более извилистые пути, тем самым уменьшая среднее квадратическое смещение. Диффузионная извилистость и соответствующая видимая диффузность могут быть увеличены либо за счет набухания клеток, либо вследствие увеличенной плотностью клеток. И наоборот, некроз, который приводит к разрушению клеточных мембран, уменьшает извилистость и увеличивает видимую диффузность.

В волокнистых тканях, включая белое вещество, диффузия воды происходит относительно беспрепятственно в направлении, параллельном ориентации волокна. И наоборот, диффузия воды сильно ограничена и затруднена в направлениях, перпендикулярных волокнам. Таким образом, диффузия в волокнистых тканях анизотропна. В экспериментах по ранней диффузионной визуализации использовались измерения параллельных (D ||) и перпендикулярных (D ⊥) диффузионных компонентов для характеристики диффузионной анизотропии. Применение тензора диффузии для описания анизотропного диффузионного поведения было введено Basser et al. (1994). В ЦНС диффузия воды обычно более анизотропна в областях белого вещества и изотропна как в сером веществе, так и в спинномозговой жидкости (CSF). Предполагается, что основной диффузионный собственный вектор (ê 1— направление наибольшой диффузии) параллелен ориентации тракта в областях однородного белого вещества. Эта направленная связь является основой для оценки траекторий пучков белого вещества с помощью алгоритмов трактографии.

Наиболее распространенным методом диффузионно-взвешенной визуализации (diffusion-weighted imaging-DWI) является импульсная последовательность, импульсноый градиент эха (pulsed-gradient, spin echo-PGSE) с однократным считыванием эхо-планарного изображения (EPI). Простейшая конфигурация этой последовательности импульсов использует пару больших градиентных импульсов, расположенных с обеих сторон 180° — фокусирующего импульса. Первый градиентный импульс «дефазирует намагниченность» по образцу (или воксель при визуализации); а второй импульс «рефазирует намагниченность». Для стационарных (недиффузионных) молекул фазы, индуцированные обоими градиентными импульсами, полностью прекращаются, намагниченность будет максимально когерентной и не будет ослабления сигнала от диффузии.

Искажение изображения из-за неоднородностей магнитного поля приводит к тому, что анатомия мозга проявляется в нелинейном искажении в направлении фазового кодирования. Эти эффекты могут быть особенно серьезными в областях, расположенных вблизи границ кости/воздуха/мозга, таких как основание черепа, префронтальные области и нижняя височная доля вблизи слухового канала. Степень этого искажения связана с изменениями локального поля, интервалом эхо-сигнала или пропускной способностью считывания выборки в направлении фазового кодирования и поле зрения. Эти искажения изображения пропорциональны напряженности магнитного поля, так что искажения при DTI могут быть довольно серьезными. К сожалению, почти все опубликованные исследования DW-EPI не проводят коррекции искажений. Карты полей оцениваются путем измерения разности фаз между данными градиентного эхо-изображения в два разных эха. Получение данных полевой карты, охватывающих весь мозг, можно легко выполнить за 2—3 минуты.