36. Diffusion 1: Introduction to DTI in FSL (Diff E1)

Summary

In diesem Video führt Sean Fitzgibbon in die Diffusionsbildgebung ein und erklärt die Bedeutung der Diffusion in der MRT, insbesondere die durch thermische Energie verursachte Brown'sche Bewegung von Wassermolekülen. Er beschreibt, wie Diffusionsgewichtung in der MRT erzeugt wird und wie sie Aufschluss über die Mikrostruktur des Gehirns gibt. Besonders wird auf isotrope und anisotrope Diffusion in Geweben wie grauer und weißer Substanz eingegangen. Anhand von Diffusionsgewichtung und Gradientenausrichtung lassen sich Informationen über die Bewegungsrichtung der Wassermoleküle und damit über die Struktur der Nervenbahnen gewinnen.

Takeaways

• 🌊 Diffusion in diesem Kontext bezieht sich auf die Brown'sche Bewegung von Wassermolekülen, die durch thermische Energie bewegt werden.
• 🧠 Diffusionsgewichtung im MRT misst, wie weit Wassermoleküle von ihrem Ausgangspunkt nach einer gewissen Zeit entfernt sind.
• 🔬 Der Diffusionskoeffizient D und die Zeit T bestimmen die durchschnittliche Verschiebung von Molekülen, was die Diffusionseigenschaften beeinflusst.
• 💧 Wasserdiffusion im Gehirn zeigt die Mikrostruktur des Gewebes auf: In der grauen Substanz wird die Diffusion durch Zellmembranen behindert, während sie in der weißen Substanz bevorzugt entlang von Axonen erfolgt.
• 📉 Der beobachtete Diffusionskoeffizient wird als scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC) bezeichnet, da er durch Barrieren in Geweben reduziert wird.
• ⚡ Diffusions-MRT verwendet Gradienten, um die Bewegung von Wassermolekülen zu messen und signalabhängige Bilder von der Diffusion in verschiedenen Gewebestrukturen zu erzeugen.
• 🔀 Diffusion in isotropen Geweben wie der grauen Substanz und dem CSF ist gleichmäßig in alle Richtungen, während sie in anisotropen Geweben wie der weißen Substanz bevorzugte Richtungen hat.
• 🎛️ Der B-Wert in der Diffusionsbildgebung quantifiziert die Empfindlichkeit der Bildsequenz gegenüber Diffusion und hängt von der Stärke des Gradienten und der Diffusionszeit ab.
• 🛠️ Höhere B-Werte erfordern stärkere Gradienten oder längere Diffusionszeiten, um einen stärkeren Diffusionskontrast zu erzielen, aber dies kann auch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis beeinflussen.
• 🔍 Diffusionsgewichtete Bilder ermöglichen es, die Richtung der Wasserdiffusion und somit die Richtung von Axonbündeln in der weißen Substanz abzuleiten.

Q & A

Was versteht man unter 'Diffusion' im Kontext der Diffusionsbildgebung?

Im Kontext der Diffusionsbildgebung bezieht sich Diffusion auf die brownsche Bewegung von Wassermolekülen. Aufgrund der thermischen Energie bewegen sich die Moleküle zufällig im Raum und nehmen einen 'Zufallsspaziergang', was wir als Diffusion messen.

Warum ist die Messung der Wasserdiffusion im Gehirn von Interesse?

Die Wasserdiffusion im Gehirn gibt uns Informationen über die lokale Mikrostruktur des Gewebes. In Regionen wie der grauen oder weißen Substanz sind die Diffusionseigenschaften unterschiedlich, was Rückschlüsse auf die Anordnung und Struktur der Zellen oder Axonbündel ermöglicht.

Was ist der Unterschied zwischen isotroper und anisotroper Diffusion?

Isotrope Diffusion bedeutet, dass sich Wassermoleküle gleichmäßig in alle Richtungen bewegen können, wie es in der cerebrospinalen Flüssigkeit (CSF) der Fall ist. Anisotrope Diffusion tritt auf, wenn die Moleküle eine bevorzugte Richtung der Bewegung haben, wie in der weißen Substanz des Gehirns, wo die Diffusion entlang der Axone einfacher ist als in anderen Richtungen.

Was ist der 'apparent diffusion coefficient' (ADC) und wie hängt er mit der echten Diffusion zusammen?

Der ADC ist der 'scheinbare Diffusionskoeffizient', der die beobachtete Diffusion beschreibt. Er ist kleiner als der wahre Diffusionskoeffizient, da die Bewegungen der Moleküle durch Hindernisse wie Zellmembranen eingeschränkt sind. Der ADC zeigt, wie stark die Diffusion im Vergleich zur freien Diffusion reduziert ist.

Wie wird die Diffusion im Gehirn mittels MRT gemessen?

Die Diffusion wird mit einer speziellen Pulssequenz gemessen, die starke magnetische Gradienten vor und nach dem 180-Grad-Puls verwendet. Diese Gradienten bewirken, dass sich stationäre und bewegte Spins unterschiedlich verhalten, was zu einem Signalverlust führt, der proportional zur Diffusion ist.

Warum ist es wichtig, die Diffusion in verschiedenen Richtungen zu messen?

Die Messung der Diffusion in verschiedenen Richtungen ermöglicht es, die Richtung der bevorzugten Diffusion in der weißen Substanz zu bestimmen. Dies hilft dabei, die Struktur und Ausrichtung der Axonbündel im Gehirn zu verstehen.

Was bedeutet ein hoher 'b-Wert' und wie beeinflusst er die Diffusionsgewichtung?

Der b-Wert quantifiziert, wie empfindlich die Messung gegenüber der Diffusion ist. Ein höherer b-Wert bedeutet eine stärkere Diffusionsgewichtung, was zu einem größeren Signalverlust führt, wenn die Diffusion stattfindet. Dies kann entweder durch stärkere Gradienten oder längere Diffusionszeiten erreicht werden.

Wie beeinflusst die Gradientenrichtung die Diffusionsmessung?

Die Richtung des angelegten Gradienten bestimmt, in welche Richtung die Diffusion gemessen wird. Wenn die Diffusion in der Richtung des Gradienten stärker ist, kommt es zu einem größeren Signalverlust. Dies hilft, die Anisotropie der Diffusion in der weißen Substanz zu erkennen.

Was zeigt eine konstante Signalintensität in der CSF bei verschiedenen Diffusionsgradienten an?

Eine konstante Signalintensität in der CSF bei verschiedenen Diffusionsgradienten zeigt, dass die Diffusion isotrop ist, d.h., dass sich Wassermoleküle in alle Richtungen gleichmäßig bewegen können.

Wie unterscheidet sich die Diffusion in weißer Substanz von der in grauer Substanz?

In der weißen Substanz ist die Diffusion anisotrop, da die Wassermoleküle entlang der Axonbündel leichter diffundieren können. In der grauen Substanz, die aus vielen Zellkörpern besteht, ist die Diffusion isotrop, aber aufgrund der Hindernisse durch Zellmembranen langsamer als in der CSF.