مقدمه:
تصویربرداری تانسور دیفیوژن یا Diffusion tensor imaging (DTI) یک تکنیک MRI است که از دیفیوژن ناهمسانگرد برای تخمین ساختار آکسونی (ماده سفید) مغز استفاده می کند.
همانطور که قبلا بیان شد، تصویربرداری با وزن انتشار (DWI)، بر اساس اندازه‌گیری حرکت براونی مولکول‌های آب است. در درون ماده سفید مغز، مولکول‌های آب تمایل دارند آزادانه‌تر در جهت فاسیکل‌های آکسونی(دسته های اکسونی) منتشر شوند تا در سراسر آنها.
چنین وابستگی جهت انتشار، ناهمسانگردی یا anisotropy نامیده می شود و راستای حداکثر انتشار در امتداد فیبرهای ماده سفید مغز در تصویر نهایی نشان داده میشود.
مبانی فیزیکی:
تصویربرداری تانسور دیفیوژن(DTI) تجزیه و تحلیل کمی از مقدار و جهت مولکول های آب ارائه می دهد.
کلمه تانسور استفاده از یک ماتریس 3×3 با مقادیر ویژه محاسبه‌شده (λ1، λ2 و λ3) و بردارهای ویژه (ε1، ε2 و ε3) به عنوان اجزای تشکیل دهنده آن را نشان می دهد.
جمع‌آوری داده‌های DTI توسط SE-EPI با استفاده از گرادیان‌های انتشار و در جهت‌های مختلف انجام میشود.
(SE-EPI = تصویربرداری اکوپلانار اسپین-اکو، با استفاده از جفت پالس‌های 90-180 درجه، که وزن T2 را ایجاد میکند).
سه تکنیک تصویربرداری DTI رایج عبارتند از:
- نقشه ناهمسانگردی کسری(fractional anisotropy map)
- نقشه جهت انتشار اصلی( diffusion direction map)
- نقشه های ردیابی فیبر(fiber-tracking maps)
1- نقشه ناهمسانگردی کسری (Fractional Anisotropy Map):
ناهمسانگردی کسری(FA) جهت جابجایی مولکولی از طریق انتشار را منعکس می کند.
ناهمسانگردی کسری (FA) یک شاخص برای میزان عدم تقارن انتشار در یک وکسل است که بر حسب مقادیر ویژه آن تعریف میشود:
برای انتشار همسانگرد کامل، λ1 = λ2 = λ3، بیضی انتشار یک کره است، و FA = 0.
مقدار FA در CSF برابر با 0 است.
با ناهمسانگردی انتشار پیشرونده، مقادیر ویژه نابرابرتر، بیضوی درازتر می شود. و FA → 1.
عدد 1 نشان دهنده دیفیوژن ناهمسانگرد بی نهایت است.
نقشه FA یک نمایشگر در مقیاس خاکستری از مقادیر FA در سراسر تصویر است. نواحی روشن تر نسبت به نواحی تاریک تر ناهمسانگرد هستند.
Fractional Anisotropy map
2- نقشه جهت انتشار اصلی (Diffusion Direction Map):
این نقشه ای است که رنگ ها را بر اساس ترکیبی از ناهمسانگردی و جهت، به وکسل ها اختصاص می دهد. به آن نقشه ناهمسانگردی کسری رنگی، نقشه جهت فیبر(fiber direction map) یا نقشه انتشار بافت(diffusion texture map) نیز می گویند.
اختصاص رنگ میتواند بصورت دلخواه انجام شود، اما قرارداد معمولی این است که:
جهت بردار ویژه اصلی (ε1)، رنگ را کنترل میکند.
ناهمسانگردی کسری (FA)، روشنایی را کنترل میکند.
به طور خاص، اگر ε1؛ زاویه α را نسبت به محور x و زاویه β را نسبت به محور Y و زاویه γ را نسبت به محور z آزمایشگاهی ایجاد کند، طرح رنگ ممکن است بصورت زیر نمایش داده شود:
- قرمز: الیاف عرضی یا FA • cos α
- سبز: الیاف قدامی خلفی یا FA • cos β
- آبی: فیبرهای کرانیوکودال یا FA • cos γ
الیاف با جهت مایل با رنگ هایی که از ترکیب سه رنگ اصلی نشات می گیرند نشان داده می شوند:
- قرمز + آبی = سرخابی
- سبز + قرمز = زرد
- سبز + آبی = فیروزه ای
3- نقشه ردیابی فیبر(Fiber Tracking Map):
تراکتوگرافی فیبر یا Fiber tractography (FT) یک تکنیک بازسازی سه بعدی برای ارزیابی مسیرهای عصبی با استفاده از داده های جمع آوری شده توسط تکنیک DTI است.
مسیرهای آکسونی معمولاً با استفاده از یک روش قطعی به نام FACT (fiber assignment by continuous tracking) نقشه‌برداری می‌شوند.
در این روش کاربر “seed voxels” را در ناحیه خاصی از مغز انتخاب می کند و نرم افزار بطور خودکار، مسیرهای فیبر را در داخل و خارج از آن ناحیه محاسبه می کند. این کار با دنبال کردن بردار ویژه اصلی(ε1) در هر وکسل تا زمانی که با یک وکسل همسایه روبرو می شود، انجام می شود، در این زمان مسیر به سمت جهت بردار ویژه جدید تغییر می کند.
Fiber-tracking map
محدودیت های تراکتوگرافی/ ردیابی فیبر:
منطق الگوریتم های تراکتوگرافی در این پیش فرض نهفته است که در هر وکسل، جهت بردار ویژه اصلی(ε1) با جهت متوسط یک بسته فیبر منفرد منطبق است. بنابراین، این رویکرد تنها در صورتی به یک نتیجه صحیح منجر میشود که ناحیه مورد نظر(ROI) همگن باشد و تغییرات جهت فاسیکول‌ها از مرتبه اندازه وکسل‌ها باشد.
به همین علت در جایی که تعداد بیشتری از فیبرها در کنار هم وجود داشته باشند یا جایی که آنها متقاطع، نزدیک، همگرا یا واگرا می شوند، الگوریتم ضعیف عمل می کند.
این محدودیت‌ها، در عمل بالینی، می‌توانند منجر به دنبال کردن مسیرهایی شوند که وجود ندارند (مثبت کاذب) یا به اندازه کافی مسیرهایی را که وجود دارند را دنبال نکنند(منفی کاذب). بنابراین، تفسیر بازسازی های تراکتوگرافی نیازمند تجربه و دانش قبلی است.
محدودیت‌های دیگر عبارتند از:
ناتوانی الگوریتم در تشخیص جهت مسیر عصبی (پروجکشن آوران نسبت به وابران)،
ناتوانی الگوریتم در تعیین عملکرد و شناسایی حضور سیناپس‌ها در طول مسیر همان مسیر عصبی.
کاربردهای بالینی:
برای بسیاری، تصویربرداری DTI مترادف با MRI از CNS است. با این حال، استفاده از DTI برای ارزیابی سایر سیستم‌های بدن، که در آن ناهمسانگردی میتواند تشخیص زودهنگام آسیب‌شناسی را تسهیل کند، در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است.
برخی از این کاربردها عبارتند از:
- ارزیابی تغییر شکل ماده سفید توسط تومورها، اینفیلتراسیون و تخریب ماده سفید
- ترسیم آناتومی مغزهای نابالغ
- برنامه ریزی قبل از جراحی
- بیماری آلزایمر – (تشخیص زودرس بیماری)
- روان‌گسیختگی یا اسکیزوفرنی(schizophrenia)
- دیسپلازی کورتیکال کانونی
- مولتیپل اسکلروزیس(MS) – برای ارزیابی پلاک
- شناسایی اولیه آسیب شناسی اعصاب عضلانی اسکلتی و محیطی