Diffusion Tensor Imaging
در ام آر آی پارامترهای متعددی که ویژگی ذاتی هر بافت محسوب میشوند در ایجاد سیگنال و در نتیجه کنتراست تصویر نقش دارد. این پارامترها عبارتند از زمان آسایش T1 ، زمان آسایش T2و دانسیته پروتونی بافتها و همچنین میزان انتشار یا دیفیوژن مولکولهای آب.
بر اساس سکانس پالسی مورد استفاده و همچنین پارامترهای تصویربرداری بکارگرفته شده یکی از ویژگی های بافتی به طور مشخص و برجسته مشاهده میشود و با اصطلاح وزن تصویر ما را مشخص میکند. با سکانسهای پالسی متداول در ام آر آی میزان دیفیوژن مولکولهای آب قابل مشاهده و اندازه گیری نیست.
بدین منظور برای افزایش حساسیت سکانس پالسی به دیفیوژن گرادیان هایی بنام گرادیان دیفیوژنی در زمان بین ارسال پالس RF و جمع آوری سیگنال اعمال میشوند. این گرادیان ها از دو لوب بنام لوب ناهمفاز کننده و لوب همفاز کننده تشکیل شده اند.
حال نقش گرادیان های دیفیوژنی و عملکرد آنها را بررسی میکنیم:
پس از ارسال پالس RF پروتونهای برش مورد نظر در وضعیت همفاز قرار میگیرند. حال زمانی که لوب نا همفاز کننده گرادیان روشن میشود پروتونها بر اساس منطقه ای که قرار گرفته اند تحت تاثیر میدانهای مغناطیسی متفاوتی قرار گرفته و فرکانس متفاوتی پیدا کرده و دچار ناهمفازی میشوند.
در فاصله زمانی بین دو لوب گرادیانی، مولکولهای آب مجددا تحت تاثیر میدان اصلی اسکنر با سرعت یکسان شروع به چرخش کرده اما اختلاف فاز مرحله قبل را حفظ میکنند.
زمانی که لوب دوم گرادیان یا لوب همفاز کننده با شیب مخالف روشن میشود پروتونها مجددا تحت تاثیر شدت میدانهای متفاوتی قرار میگیرند. اما پروتونهایی که در ابتدا تحت تاثیر میدان ضعیف قرار داشته اند در زمان روشن شدن گرادیان دوم تحت تاثیر میدان قوی قرار گرفته و فرکانسشان افزوده میشود و بالعکس.
لارم به ذکر است شیب و مدت زمان روشن بودن هر دو لوب گرادیان یکسان است بنابراین پس از خاموش شدن گرادیان دوم دو اتفاق متصور است: ۱٫ پروتونهایی که در حد فاصل زمانی بین دو لوب گرادیانی حرکت نداشته اند : این پروتونها کاملن همفاز شده و سیگنال در این مناطق افزایش می یابد.
۲٫ پروتونهایی که حرکت کرده اند چون در موقعیت مکانی مشابهی قرار نگرفته اند گرادیان دوم نمیتواند به طور کامل اثر ناهمفازی گرادیان اول را خنثی و پروتونها را همفاز کند . در نتیجه شدت سیگنال به دلیل ناهمفازی باقیمانده کاهش می یابد.
بدین ترتیب در مناطقی که مولکولهای آب حرکت کرده اند آشکار میشوند. برای اینکه حرکت مولکولهای اب در فضای سه بعدی(حجم بدن)نشان داده شود بایستی گرادیان های دیفیوژنی در هر سه راستای x , y, z بکار گرفته شود.زیرا آشکارسازی حرکت مولکولهای آب کاملا وابسته به جهت اعمال گرادیان است. و تنها در راستایی که گرادیان روشن میشود حرکت مولکولهای آب به تصویر کشیده میشود و حتی در صورتی که حرکتی وجود داشته باشد اما در آن راستا گرادیان اعمال نشود دیده نمیشوند.
میزان حساسیت سکانس پالسی به دیفیوژن مولکولهای آب با پارامتری به نام b-value تعیین میشود. این پارامتر به شیب گرادیان های دیفیوژنی، مدت زمان روشن بودن هر لوب و فاصله زمانی بین دو لوب گرادیان وابسته است. افزایش b-value حساسیت سکانس را افزایش میدهد و حرکت های کوچکتر را نیز به آشکار میسازد. اما از شدت سیگنال به نویز تصویر نیز میکاهد.
با توجه به طولانی بودن نسبی TR و TE در این سکانس ها علاوه بر وزن دیفیوژنی تصاویر حاصله تحت تاثیر وزن T2 قرار میگیرند. این امر سبب میشود در برخی مناطق تصاویر با وزن دیفیوژنی، علیرغم بالا بودن میزان دیفیوژن (=کاهش شدت سیگنال)، این مناطق با شدت سیگنال بالا مشاهده شوند (یعنی شبیه مناطق با میزان انتشار پایین). به این مساله ، آرتیفکت T2 Shine Through میگویند. که برای تشخیص از نقشه هایی به اسم ADC map استفاده میشود.
نقشه ADC یا apparent diffusion coefficient میزان دیفیوژن ظاهری در هر پیکسل را مشخص میکند. برای محاسبه ضریب دیفیوژن برای هر پیکسل که از میزان کاهش شدت سیگنال بدست می آید باید حداقل دو بار اندازه گیری شدت سیگنال با دو b-value متفاوت انجام داد. بدین ترتیب برای هر پیکسل ضریب دیفیوژن در سه راستای x, y, z بدست می‌آید و با استفاده از میانگین سه عدد حاصل نقشه ADC ترسیم میشود.
در تصویر با وزن دیفیوژنی،مناطقی که حرکت مولکولهای آب بیشتر است به دلیل ناهمفازی بیشتر ، با شدت سیگنال کم مشاهده میشود در حالیکه این مناطق به دلیل داشتن ضریب دیفیوژن بالاتر در نقشه ADC روشن تر دیده میشوند.
حرکت مولکولهای آب در ساختارهای منظم یا به اصطلاح ordered structures مانند مغز از الگوی خاصی پیروی میکند. اصل اول: مولکولهای آب در ساختارهایی عصبی حرکت آزادانه تری در امتداد الیاف عصبی نسبت به وضعیت عمود بر الیاف عصبی دارند. و در واقع در جهت عمود بر الیاف عصبی حرکت مولکولهای آب محدود شده است. اصل دوم : حرکت مولکولهای آب در امتداد گرادیانی که اعمال شده است آشکار میشود. از این دو اصل در تصویربرداری دیفیوژن تانسور استفاده میشود.
به انتشار ناهمگون مولکولهای آب ، anisotropic diffusion میگویند. این انتشار در فضای سه بعدی از الگوی بیضی شکلی پیروی می کند که به آن بیضی انتشار میگویند. لازم به ذکر است انتشار همگن که بدون جهت خاص انجام میشود از الگوی کروی شکل تبعیت میکند.
در تصویربرداری دیفیوژن تانسور بایستی بیضی انتشار را برای یکایک پیکسل ها محاسبه کنیم . بدین منظور از ماتریس ۳×۳ بنام تانسور استفاده میشود که ۶ عنصر مجهول دارد. با بدست آوردن تانسور برای هر پیکسل میتوان جهت انتشار و در نتیجه جهت الیاف عصبی را مشخص کرد.
برای بدست آوردن مقادیر این ۶ عنصر که با استفاده از آنها قطرهای بیضی انتشار و جهت آنها محاسبه میشود بایستی حداقل گرادیان های دیفیوژنی را در ۶ راستا اعمال کنیم تا ضرایب دیفیوژنی در ۶ راستای مشخص بدست آید. در نتیجه میتوان به داده های بدست آمده بیضی انتشار (که حاوی اطلاعات جهت و میزان انتشار است ) را برازش( fit) کرد.
لازم به یادآوری است جهت محاسبه ضریب دیفیوژن همان گونه که گفته شد بایستی حداقل با دو b-value سیگنال تهیه کرد. که در مغز از b-value صفر و ۱۰۰۰ استفاده میشود. در تصویربرداری دیفیوژن تانسور نیز یکبار کل مغز با b-value صفر و حداقل ۶ بار با اعمال گرادیان در ۶ راستای مختلف با b-value : 1000 تصویربرداری میشود(جمعا حداقل ۷ سری تصویر وجود دارد).
پس از آنکه برای هر پیکسل بیضی انتشار بدست آمد میتوان از اطلاعات حاصل به دو صورت استفاده کرد:
۱: ایجاد کنتراست های جدید تصویری مانند FA: fractional anisotropy; colour FA; Relative anisotropy, volume ratio.
که متداول ترین آنها FA و colour FA است.مقدار عددی FA از صفر تا ۱ است.
۲٫ Diffusion tensor tractographty که ترسیم و نمایش الیاف عصبی است.
در تصاویر colour FA الیاف عصبی به رنگ های زیر دیده میشوند : رنگ قرمز نشان دهنده جهت الیاف عصبی به صورت چپ-راست است مانند کورپوس کولوزوم. رنگ سبز الیاف عصبی که در جهت قدام-خلف قرار دارند و رنگ آبی الیافی هستند که در جهت بالا -پایین قرار دارند مانند رشته عصبی کورتکواسپینال.
در روش تراکتوگرافی بردارهای اصلی منطبق بر بیضی انتشار رسم شده و طبق قوانین خاصی بهم وصل میشوند و الیاف عصبی ترسیم میشوند. هر زمان که جهت بردار انتشار تغییر قابل ملاحظه ای کرد و یا عدد فراکشنال آنیزوتروپی تغییر بسزایی داشت عمل تراکتوگرافی پایان می یابد. رنگ الیاف نمایش داده شده در تراکتوگرافی کاملن اختیاری بوده و از قوانین colour FA تبعیت نمیکند.
موارد استفاده از DTI و DTT
DTT : diffusion tensor tractographty
DTI : diffusion tensor imaging
از تصاویر حاصل ۴ مورد را میتوان ارزیابی کرد:
۱:کنتراست های متفاوت: FA; colour FA
۲٫ مورفومتری: سایز و شکل الیاف عصبی
۳٫ مکان یا location
۴٫ اتصال یا connectivity
با استفاده از کنتراست های بدست آمده میتوان اطلاعاتی بدست آورد که با کنتراست های تصویربرداری متداول حاصل نمیشود. به طور مثال میتوان در بچه ها رشد و یا تشکیل رشته عصبی خاصی را بررسی کرد.
همچنین با استفاده از روش تراکتوگرافی میتوان موقعیت رشته عصبی خاص نسبت به ضایعه، میزان درگیری رشته عصبی با تومور را نشان داد. ( تراکت عصبی جدا شده که از اطلاعات DTI بدست آمده بر روی تصاویر آناتومیک T1 که معمولن به صورت ۳D تهیه شده است قرار میگیرد و نمایش داده میشود(overlay )
میزان نفوذ ضایعه به رشته عصبی و درگیری آن با استفاده از مقایسه تصاویر FA، colour FA و T2w مشخص میشود. درگیری الیاف عصبی به ۴ شکل است.
تعیین میزان درگیری الیاف عصبی اطلاعات ارزشمندی برای پزشکان بالاخص جراحان مغز و اعصاب فراهم میکند. با استفاده از این اطلاعات پیش آگهی بیمار ، نحوه درمان، روش دسترسی به تومور در جراحی هاو …. مشخص میشود. البته نمایش همزمان اطلاعات DTT, DTI و داده های fMRI از اهمیت بیشتری برخوردار است.
برای جدا سازی یک رشته عصبی مشخص از میان انبوهی از الیاف عصبی با استفاده از اطلاعات آناتومیک معمولن حداقل دو منطقه ابتدایی و انتهایی رشته مورد نظر مشخص میشود . و با عملکرد and سیستم تمام الیافی را که از دو منطقه مورد نظر میگذرد را جدا میکند. عملکردهای دیگر مانند or نیز وجود دارد که در صورت استفاده الیافی که از هر ROI میگذرد را نشان میدهد و نیازی به اشتراک الیاف عبور کرده از دو منطقه نیست . عملگرهای دیگری نیز وجود دارد مانند not که زمانی که ROI مربوط به آن با not به ROI اول اضافه شود الیافی که از آن ROI میگذرد را حذف میکند.
در پایان لازم به ذکر است که در عمل معمولن تعدادبیشتری داده تهیه میشود (اعمال گرادیان در راستایی بیشتر از ۶ جهت). این کار سبب میشود که خطاها کاهش یابد و بیضی نسبت داده شده(برازش داده شده) به هر پیکسل به شکل و جهت واقعی آن نزدیکتر باشد.
منبع: گروه تلگرام Optimizing MRI Sequences
تهیه کننده : سرکار خانم فرشیدفر
با سلام؛
مطالب عنوان شده بسیار عالی و مفید بودند. از شما متشکرم. چند نکته جهت ارتقای متن بیان کنم:
۱- ترجمه عبارت DTI میشود، تصویربرداری تانسور دیفیوژن که متاسفانه در متن بصورت تصویربرداری دیفیوژن تانسور ترجمه شده است. بنابراین بهتر است اصلاح شود.
۲- بهتر است کلماتی مانند معمولن و کاملن بصورت معمولا و کاملا نوشته شوند.
باتشکر از مطالب ارزنده تون