Obrazowanie tensora dyfuzji Zastosowana szczególna technika obrazowania z gradientami zarówno wzdłuż głównych osi ale także w osiach pośrednich (xy, zx, zy) oraz matematyka związana z tensorem dyfuzji pozwala na obliczenie nie tylko współczynnika dyfuzji (ADC) względem osi współrzędnych aparatu, ale umożliwia dokładne określenie kierunku w którym restrykcja dyfuzji jest najmniejsza (a zatem największa wartość ADC w każdym wokselu tkanki. Traktografia

Ponieważ tensor dyfuzji jest symetryczny wystarczy 6 pomiarów (plus dodatkowy 7-my pomiar bez gradientów dyfuzyjnych) tzw. składniki diagonalne pozadiagonalne (off-diagonal) tensora.

„Diagonalizacja” tensora dyfuzji Formalizm tensorowy pozwala na wyznaczenie głównej wartości dyfuzji („wartość własna” czyli tzw. eigenvalue tensora) z jednoczesnym określeniem jej kierunku („kierunek” wektora własnego, czyli tzw. eigenvector) Są to wartości spełniające następującą równość: Gdzie D (tensor), i = wartość własna, evi = wektor własny

Gdzie D (tensor), i = wartość własna, evi = wektor własny

Diagonalizacja tensora: pary eigenvalues i eigenvectors: [1v1][ 2v2] [3v3]), największa(e) spośród wartości własnych wyznaczają najsilniejszą dyfuzję i jej kierunek (określony przez odpowiedni wektor własny). ev1λ1 ev2λ2 ev3λ3

Ślad tensora dyfuzji (trace) Tr(D) = D11 + D22 +D33 (typowo w postaci „uśrednionej” Tr(D)/3) jest dobrą ogólną miarą dyfuzji w danym wokselu (podobnie jak skalarny ADC). Jest on niezmienniczy w rotacji i można go również „mapować” i przedstawiać w postaci obrazka. Stwierdzono m.in. że ślad tensora jest lepszy w wykazywaniu obszaru zawału mózgu niż używanie i pokazywanie poszczególnych składowych dyfuzji. oznaczają odpowiednie średnie wartości Basser i Jones proponują zamiast „trace-ADC”, „mean trace” etc używać nazwy - „bulk mean diffusivity”

„Fiber tracking”: mapowanie przebiegu (orientacji) pęczków włókien nerwowych („dróg”) W 1991 Douek, Turner i wsp zaproponowali śledzenie przebiegu dróg nerwowych (pęczków włókien) za pomocą użycia NMR-DI (J Comp Assist Tomogr 1991; 15:923-929) Zakłada się, że przebieg pęczków włókien jest współliniowy z kierunkiem eigenwektora odpowiadającego największej wartości dyfuzji (największa eigenvalue tensora dyfuzji w wokselu) W niektórych schorzeniach można stwierdzić nieprawidłowe „połączenia” przy braku innych patologii w obrazowaniu mózgu.

„Fiber tracking” ev1λ1 ev3λ3 ev2λ2 ev1λ1 ev3λ3 ev1λ1 ev2λ2 ev3λ3 ev2λ2

Obrazowania czynnościowe fMRI

fMRJ TECHNIKA „BOLD” (blood oxygenation level dependent) Seiji Ogawa w 1990 OksyHb jest diamagnetykiem, DeoksyHb jest paramagnetykiem i powoduje szybszy zanik FID. Aktywacja kory powoduje: 1) początkowo (3-6 sek.) silną deoksygenację hemoglobiny. 2) następnie wzrost przepływu krwi powoduje że krew żylna jest mniej odtlenowana (czyli bogatsza w oksyhemoglobinę) i stąd sygnał jest silniejszy! Na wpływ Hb czuły jest przede wszystkim czas T2

Aktywacja kory skroniowej poprzez bierne słuchanie fMRJ Aktywacja kory skroniowej poprzez bierne słuchanie Aktywne słuchanie modulowanych dźwięków powoduje aktywację innych okolic

Spektroskopia zlokalizowana- obraz rozkładu metabolitów Otoczenie chemiczne zmienia częstotliwość rezonansową jąder wodoru (jest to tzw. przesunięcie chemiczne –chemical shift) Przesunięcie chemiczne (Chemical Shift) () jest wartością względną (względem substancji wzorcowej) i wyrażony w ppm Substancja wzorcowa: ((CH3)4Si) tetrametylosilan Innym jądrem wykorzystywanym w spektroskopii NMR jest 31P Teoretycznie można wykorzystać także 13C, 15N, 17O.

Spektrum 1H MRJ normalnego mózgu 1,5 T NAA = N-acetyl-aspartate, Cr = (fosfo)creatynina, Ch – związki z choliną, Lac = mleczan+tauryna, Gln = glutamina, Glu = glutaminian mI = myoinozytol lub kwasy tłuszczowe

obniżenie N-acelytoasparaginianu oraz podwyższony sygnał w zakresie 0,8-1,8 ppm co odpowiada mleczanom i wolnym lipidom (L>P)

Techniki izotopowe obrazowania czynnościowego

SPECT (Single photon emission computed tomography). - radioizotop technet Tc-99m emituje pojedynczy foton pr. gamma o energii 140KeV i ma half-life ok. 6 godz. - Foton rejestrowany jest przez tzw Gamma kamerę z kolimatorem ołowiowym, (separacja promieniowania z różnych punktów ciała - tzw kamera Anger’a)

2. PET (positron emission tomography): - różne związki z „podstawionym” krótkotrwałym izotopem z rozpadem , przy którym następuje emisja pozytonu. - izotopy: 15O, 11C, 18F. - Pozyton ulega anihilacji napotykając elektron a wyzwolone fotony energii rozchodzą się w przeciwnych kierunkach pod kątem 180o. - Gammadetektory lokalizują miejsce anihilacji z dokładnością do kilku milimetrów.

Przykładowe zastosowania PET: Utylizacja glukozy przy pomocy 18F-2-deoksyglukozy (18F-labeled 2-DG) Przepływ oceniany jest za pomocą wody znakowanej 15O (H215O) Zużycie tlenu przez podawanie do oddychania 15O Dystrybucja różnych molekuł wykrywanych poprzez zastosowanie znakowanych izotopami związków chemicznych (np. ligandów) swoiście łączących się z tymi molekułami

Kombinacja PET + MRI (CT)

PET Utylizacja glukozy przy pomocy 18F-2-deoksyglukozy (18F-labeled 2-DG) Jeśli zbadamy tą samą aktywację poprzez podanie H215O i określenie przepływu mózgowego okaże się, że wzmożenie przepływu pokryje się z akumulacją 18F-2-D

Badania przy pomocy PET z jednoczesnym obserwowaniem Local Cerebral Metabolic Rate dla tlenu (konsumpcja tlenu), oraz dla glukozy a także przepływu krwi pozwoliły na ocenę ich wzajemnych relacji. Stwierdzono, że w ludzkim mózgu te trzy parametry metaboliczne są ze sobą związane (czyli wzrastają jednocześnie i proporcjonalnie w czasie aktywacji mózgu) ale w różnych okolicach stopień korelacji może być różny!

„Rozprzęgnięcie” („uncoupling”) (LCBF / LCMRglu) i LCMRO2 W pierwotnej korze wzrokowej stymulacja wzrokowa powoduje wzrost LCBF i LCMRglu o 30-40% wzrost LCMRO2 wynosi jedynie 6%. Oznacza to użycie glikolizy bardziej niż cyklu Krebsa w dostarczeniu zwiększonej ilości energii. W takich przypadkach następuje wzrost mleczanu (spektroskopia MRJ), Ogólny wniosek : Mózg w sytuacji zwiększonego zapotrzebowania na energię używa przede wszystkim glikolizy a później oksydatywnej fosforylacji.

PET w ALS: GABAA ligand [11C]flumazenil

Ograniczenia PET Nietrwałe izotopy (fluor F18, ok. 2godz okr półtrwania) Konieczność rekalibracji związana z rozpadem izotopu Konieczność cyklotronu jeśli chce się produkować dowolne markery Ew Rubid-Rb82 (t1/2 = 76 sek.)generowany ze strontu (Sr82)