Traktografia rezonansu magnetycznego w diagnostyce
advertisement
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL 403 Traktografia rezonansu magnetycznego w diagnostyce neuroradiologicznej Magnetic resonance tractography in neuroradiological diagnostic aspects Tatiana Gierek1, Jarosław Paluch1, Przemysław Pencak 2, Beata Kaźmierczak1, Lucyna Klimczak-Gołąb1 SUMMARY Diffusion tensor imaging is unique in its ability to non-invasively visualize white matter fiber tracts in the human brain in vivo. White matter fiber bundles of the human brain form a spatial defi ned by the anatomical and functional architecture. Determination of axonal pathways provides an invaluable means to study the connectivity of human brain and its functional network. Comparison of fiber tract properties across subjects requires comparison at corresponding anatomical locations. In this paper, we present application of white matter tractography method based on incoherent motion of water molecules in fiber tissue, mainly in central nervous system. This motion is itself dependent on the micro-structural environment that restricts the movement of the water molecules. In white matter fibers there is a pronounced directional dependence on diffusion. With white matter fiber tracking or tractography, projections among brain regions can be detected in the three-dimentional diffusion tensor dataset according to the directionality of the fibers. The authors indicate diagnostic possibilities of MR tractography in otolaryngology for imaging the nervous tracts of sense of hearing, smell and taste with particular consideration of otoneurological evaluation of patients with cochlear implants and bone anchored hearing aid (BAHA). White matter tracts can be evaluated independently by using diffusion tensor tractography, which appears to be a promising technique for determining changes in white matter in degenerative disease. The authors also indicate that method as a benefi cial in the surgical planning for patients with intrinsic brain tumors. ©by Polskie Towarzystwo Otorynolaryngologów – Chirurgów Głowy i Szyi Otrzymano/Received: 04.02.09 Zaakceptowano do druku/Accepted: 18.04.09 1 Katedra i Klinika Laryngologii Samodzielnego Publicznego Szpitala Klinicznego im. Andrzeja Mielęckiego Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach Kierownik Kliniki : prof. T. Gierek 2 Zakład Radiologii Samodzielnego Publicznego Szpitala Klinicznego im. A. Mielęckiego Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach Wkład pracy autorów/Authors contribution: Według kolejności Konflikt interesu/Conflicts of interest: Autorzy pracy nie zgłaszają konfliktu interesów. Adres do korespondencji/ Address for correspondence: imię i nazwisko: Prof. dr hab. n. med. Tatiana Gierek adres pocztowy: Katerda i Klinika Laryngologii SUM ul. Francuska 20-24 Katowice tel. 0-32 256 43 09 fax 0-32 256 29 96 e-mail [email protected] Hasła indeksowe: traktografi a, rezonans magnetyczny, istota biała Key words: tractography, magnetic resonance imaging, white matter Wstęp Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) jest metodą MR używaną do analizy dyfuzyjnej anizotropii OUN. Przedstawia ona szczegóły anatomiczne istoty białej mózgu. Aktualnie jest bardzo przydatną metodą w neuroradiologii, dostarczając morfologicznych markerów zaawansowania choroby czy też reakcji na leczenie [1]. W ostatnich 10-15 latach badania nad techniką obrazowania rezonansu magnetycznego skupiły się bardziej na zjawisku dyfuzji w żywych tkankach [2]. Graficzne przedstawienie dyfuzji w MR jest bardzo wartościowym sposobem obserwacji struktur tkanki nerwowej, a przez swoją nieinwazyjność [2, 3], doskonale nadaje się do oceny rozwijającego się mózgu od narodzin do pełnej dojrzałości biologicznej człowieka i wieku podeszłego. Mózg człowieka od okresu embrionalnego ulega przemianom w rozwoju, różnicowaniu i proliferacji neuronów, udoskonalaniu połączeń synaptycznych, a zachowanie tych połączeń jest związane z długim procesem mielinizacji trwającym aż do 25 roku życia [4]. Obrazowanie dyfuzji w rezonansie magnetycznym O tolar yngologia Polska tom 63, nr 5, wr zesień – pa ździernik 20 0 9 (DT-MRI) pozwoliło na obliczenie toru przebiegu włókien nerwowych w zorganizowanej strukturze istoty białej mózgu [1, 5]. Omówienie metody: aspekt matematyczno-fizyczny Dyfuzja jest to proces polegający na przemieszczaniu się cząsteczek substancji rozpuszczonej w roztworze, jak również przemieszczaniu się cząsteczek samego roztworu (ośrodka) [6], prowadzącym do wyrównania stężeń składników w mieszaninie (cieczy lub gazu). Zjawisko to związane jest z chaotycznym ruchem cząsteczek roztworu zależnym od energii cieplnej układu, określanym mianem „bezładnego ruchu cząsteczek”, jak również – historycznie – „ruchami Browna” [4]. W strukturach ciała człowieka zazwyczaj spotyka się ośrodki anizotropowe, których charakter wynika przede wszystkim z faktu występowania wielu błon, zarówno komórkowych, jak i wewnątrzkomórkowych, Otolaryngol Pol 2009; 63 (5): 403-406 404 ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL ograniczających swobodną dyfuzję. Organizm ludzki można podzielić na wiele różniących się od siebie ośrodków, które można zaklasyfikować do jednego z trzech podstawowych obszarów takich jak: przestrzeń zewnątrzkomórkowa, przestrzeń wewnątrzkomórkowa, przestrzeń trzecia. Przestrzeń zewnątrzkomórkowa charakteryzuje się względną izotropią oraz względnie wysokim współczynnikiem dyfuzji [4]. Z uwagi na homogenne właściwości ośrodka podstawowego (płyn zewnątrzkomórkowy) oraz proporcjonalnie duże (w porównaniu z przemieszczeniami cząsteczek w wyniku bezładnego ruchu cieplnego) odległości między barierami błonowymi. Przestrzeń wewnątrzkomórkowa ze względu na ośrodek (cytozol, dawniej zwany cytoplazmą), a także występowanie wielu błon komórkowych i wewnątrzkomórkowych oraz ich uporządkowanie (organizacja przestrzenna w postaci „gęstego upakowania”), cechuje się anizotropią i względnie mniejszym, efektywnym współczynnikiem dyfuzji (absolutny współczynnik dyfuzji ośrodka, skorygowany z uwagi na występujące bariery) [2]. Niektóre istniejące procesy mogą powodować zmniejszenie przestrzeni zewnątrzkomórkowej na rzecz przestrzeni wewnątrzkomórkowej, czego następstwem są zmiany uśrednionych wartości współczynnika dyfuzji w obrębie woksela. Przestrzeń trzecia jest izotropowa, natomiast współczynnik dyfuzji zależy od składu ośrodka (np. treść surowicza śluzowa, ropna itd.) [4]. Biostruktura mózgu należy do struktur anizotropowych, więc do opisania współczynnika dyfuzji (wysoce zróżnicowanego zależnie od miejsca i kierunku), zamiast pojedynczej wartości skalarnej stosuje się tensor dyfuzji. [7] Tensor będący pojęciem matematycznym, niezależnym od wyboru układu współrzędnych, w uproszczeniu odpowiada pojęciu „wektora”. Umożliwia on przedstawienie wielkości fizycznej, której wartość zależy od kierunku. Zastosowanie tensora dyfuzji pozwala na przybliżony opis rozkładu wartości współczynnika dyfuzji z uwzględnieniem jej kierunku w przestrzeniach anizotropowych. Uzupełnienie modelu teoretycznego, uwzględniającego wyłącznie dyfuzję, o występujące w biostrukturach zjawiska, między innymi takie, jak perfuzja i mikrokrążenie, wpływające na wielkość zmiany sygnału w sekwencji wykorzystującej gradienty kodowania dyfuzji, doprowadziło do sformułowania pojęcia „rzeczywistego współczynnika dyfuzji” (ADC, apparent diffusion coefficient) wyliczanego i przedstawianego w postaci map ADC [4]. Przyjęto zasadę, że w obrazach zależnych od dyfuzji (DWI, diffusion-weighted imaging) obszary o niskiej dyfuzji przedstawiane są jako jasne. Jednak w ich interpretacji zawsze należy brać pod uwagę wartość b sekwencji (b value). W przypadku niskich wartości b, kontrast obrazu jest silnie zależny od czasu relaksacji poprzecznej T. Objaw ten określa się mianem „przeświecania zależnego od T (T shining) [2]. Do konstruowania obrazów ADC wykorzystuje się dane wyliczone z pomiarów uzyskanych z zastosowaniem co najmniej dwóch sekwencji o różnych wartościach b. Kontrast w obrazach ADC jest proporcjonalny do dyfuzji – tkanki o małej dyfuzji przedstawiane są jako ciemne obszary, natomiast tkanki lub przestrzenie o dużej dyfuzji są kodowane jako jasne [4]. U człowieka przeważają przestrzenie anizotropowe, w których wielokierunkowe zróżnicowanie dyfuzji wymaga bardziej złożonego opisu w postaci tensora dyfuzji. W celu wyliczenia tensora niezbędne jest dokonanie pomiarów dyfuzji co najmniej w sześciu, a najlepiej dziewięciu różnych kierunkach. Obok pojęcia „współczynnika dyfuzji” wykorzystuje się także pojęcie „dyfuzyjności” [3], odpowiadające dyfuzji przypadającej na jednostkę czasu. Jedną z wielkości stosowanych do opisu tensora dyfuzji jest wielkość skalarna sumarycznej dyfuzji, określana mianem „trace” (D), a także pozostająca z nią w zależności wielkość średniej dyfuzyjności (MD, mean diffusivity). Obie te wartości reprezentują ogólną wartość dyfuzji w danym punkcie przestrzeni, ale nie zawierają żadnej informacji o jej zróżnicowaniu w zależności od kierunku. Dla wyrażenia stopnia anizotropii badanej struktury, stosuje się pojęcie „anizotropii frakcjonowanej” (FA, fractional anisotropy) wielkości skalarnej i osiągającej wartości z zakresu 0–1. Wartość 0 odpowiada strukturze izotropowej, zaś wartość 1 strukturze, w której dyfuzja jest możliwa wyłącznie w jednym kierunku [2, 4]. Z uwagi na stopień organizacji istotę białą mózgowia cechuje wysoka wartość FA (najwyższa w ciele modzelowatym oraz drogach piramidowych) oraz względnie niska wartość MD. Istotę szarą charakteryzują względnie niskie wartości FA i MD [4, 8]. Dla płynu mózgowo-rdzeniowego typowe są bardzo niskie (zbliżone do 0) wartości FA, a jednocześnie wysokie wartości MD. Istnieją różne sposoby obrazowania rozkładu tensora dyfuzji (DTI, diffusion tensor imaging). Do najpopularniejszych należą obrazy MD w skali szarości, obrazy FA w skali szarości, obrazy FA kodowane kolorem oraz traktografia. Istnieje zasada według której przyjmuje się, że w mapach FA w skali szarości obszary o dużej anizotropii są przedstawiane jako jasne, zaś ośrodki izotropowe – jako czarne. W mapach parametrycznych FA kodowanych kolorem, kolor jest zdefiniowany przez kierunek maksymalnej składowej tensora dyfuzji (czerwony – prawo-lewo, zielony – przód-tył, niebieski – góra-dół), natomiast intensywność zależy od wielkości FA [4, 5]. W traktografii wykorzystuje się algorytm kreślenia toru włókien z wybranego punktu, opierając się na zasadzie ciągłości wokseli oraz doboru każdego kolejnego, zależnie od kierunku wyznaczonego przez dominującą składową, tensora dyfuzji w wokselu bieżącym [6]. Innymi słowy zaczynając od punktu początkowego linia podąża w kierunku maksymalnej dyfuzji aż do napotkania pierwszego woksela [1]. Następnie O tolar yngologia Polska tom 63, nr 5, wr zesień – pa ździernik 20 0 9 ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL zmienia kierunek do maksymalnej dyfuzji kolejnego nowego woksela. Proces ten następuje aż do momentu krytycznego końca [4]. Punktem końcowym może być relatywnie niski poziom anizotropii, wskazujący na zakończenie drogi w istocie białej. W zależności od punktu początkowego można zakodować kolor dla poszczególnej drogi, stąd wielobarwne obrazowanie [3, 8]. Należy pamiętać, że hipotetyczny przebieg włókien, wykreślony w traktografii, wynika z modelu matematycznego konstruowanego na podstawie tensora dyfuzji, uśredniony dla danego woksela, a nie z rzeczywistej ciągłości przebiegu włókien [2, 4]. Zastosowanie DTI- MR Traktografia jako sposób obrazowego uwidocznienia dróg nerwowych została wykorzystana w badaniach klinicznych i diagnostyce chorób mózgu [5]. Techniki traktograficzne umożliwiają uwidocznienie struktur istoty białej i przebiegu dróg nerwowych [7, 9]. Pozwoliło to między innymi na badania nad szlakami przebiegającymi w największym połączeniu między półkulami mózgu jakim jest ciało modzelowate i odkryciu nowych dróg między odległymi regionami [1, 3, 6, 10], a także stworzenie trójwymiarowego przestrzennego modelu wiązek włókien nerwowych [5, 11]. Zmiany we frakcjonowanej anizotropii lub średniej dyfuzyjności w chorobach mózgu pozwalają na precyzyjną lokalizację zmiany miejscowej. Stwierdzając które drogi nerwowe są widoczne można określić stopień rozwoju oraz postępu choroby, a także wybrać sposób interwencji [12]. Zostało to wykorzystane w badaniach nad epilepsją [13], gdzie zobrazowano upośledzenie połączeń dróg nerwowych w obu półkulach. Również w neuroonkologii obrazowanie radiologiczne za pomocą traktografii dostarcza informacji o funkcji poszczególnych dróg nerwowych i ich relacji z operowanym guzem [10]. Znalazło to zastosowania do przedoperacyjnego mapowania dróg i planowania zakresu i rodzaju operacji [12]. W Polsce przeprowadzane są już operacje neurochirurgiczne przy jednoczesnym obserwowaniu funkcji włókien nerwowych. Dzięki nowoczesnemu oprogramowaniu do traktografii dostępnym od grudnia 2008 r., w czasie operacji wycięcia guza mózgu można było uwidocznić – w czasie rzeczywistym – czynność i funkcje włókien nerwowych. Dane te zostały następnie wykorzystane przez system do nawigacji neurochirurgicznej do precyzyjniejszego usunięcia nowotworu, co znacznie zwiększyło bezpieczeństwo operacji oraz obniżyło ryzyko powikłań [12]. Traktografia pozwoliła też na zobrazowanie zmian w mózgu u osób ze stwardnieniem rozsianym, a także ze stwardnieniem bocznym zanikowym, gdzie uwidoczniono zmiany w dyfuzji i anizotropii, zwyrodnienie drogi korowo-rdzeniowej [13]. Ponadto, ten rodzaj badania pozwala na stwierdzenie nie tylko zmian związanych z ubytkiem, ale także zwiększonej kompensacyjnej O tolar yngologia Polska tom 63, nr 5, wr zesień – pa ździernik 20 0 9 mielinizacji w przypadku jednostronnie uszkodzonego mózgu. Poprzez traktografię udowodniono możliwość regeneracji włókien lub zmiany w przebiegu dróg nerwowych wokół miejsca uszkodzenia w eksperymentalnych badaniach na małpach z uszkodzonym fragmentem mózgu [1]. Adrenoleukodystrofia DT-MRI pozwala na zindentyfikowanie zdegenerowanej istoty białej co nie jest możliwe w konwencjonalnym rezonansie magnetycznym [2]. W artykule przedstawiającym badania nad chorobą Alzheimera metoda DT-MRI została wykorzystana do niezależnego zobrazowania stopnia ubytku istoty białej przez pomiar wielkości dyfuzyjności i anizotropii w porównaniu z grupą kontrolną [14]. Reasumując traktografia umożliwia rekonstrukcję przebiegu włókien nerwowych w barwnej projekcji trójwymiarowej zgodnie z największą dyfuzyjnością, przebiegających w mózgu z jednego regionu do drugiego [2, 11, 15]. Bazuje na obrazowaniu tensora dyfuzji i jest szybko rozwijającą się metodą w badaniu ośrodkowego układu nerwowego [1]. W celu walidacji tej techniki wymagane są obiektywne metody porównujące szlaki istoty białej, a także średnice przebiegu dróg w próbach biologicznych [2]. Istotna jest znajomość ograniczeń wynikających ze stosowania tej metody. W związku z tym że rozmiar woksela ma średnicę kilku milimetrów [13], może więc zawierać dziesiątki tysięcy aksonów o różnej orientacji [3, 6, 13]. Ponadto, należy wziąć pod uwagę fakt, że obraz toru włókien nie daje odpowiedzi, w jakim kierunku następuje przebieg włókien [8, 13]. W przypadku włókien o podobnym rozmiarze, ale zorientowanych w przeciwnych kierunkach nie zostanie zaznaczona żadna droga. Z kolei, gdy szlak o większych rozmiarach przechodzi obok mniejszych dróg może spowodować, że te ostatnie zostaną zobrazowane jako część tego szlaku i utratę rzeczywistych danych na temat ich przebiegu [1]. Trudności może również nastręczać rozróżnienie pomiędzy krzyżującymi się szlakami, łączącymi się w większą drogę [3]. Zobrazowany wówczas kierunek jest analogiczny, pomimo różnic w anizotropii. Przenikanie się szlaków także zaburza prawidłowy obraz DT-MRI [10]. Wydawałoby się, że zredukowanie rozmiarów woksela pozwoli na uniknięcie ograniczeń [10]. Niestety spowoduje to zwiększenie kosztów oraz wydłuży czas badania [3], co związane jest z wystąpieniem artefaktów, wynikających z oddychania, przepływu płynów w mózgu, a także z ruchu oczu, czy całej głowy w trakcie badania [2]. W przyszłości metoda obrazowania dyfuzji w MRI może być zastosowana w innych tkankach zawierających włókna, jak serce, gdzie dostarczałaby informacji na temat prawidłowego rozwoju narządu lub diagnozowania choroby [1, 2]. Zastosowanie metod wizualizacji szlaków włókien z zastosowaniem środków kontrastowych jak manganian, razem z DT- MRI stanowi uzupełnienie zarówno diagnostyki chorób, jak i obserwacji prawidłowych struktur mózgu oraz 405 406 ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL innych tkanek włóknistych. Pozwoli to na wyjaśnienie zależności połączeń między ośrodkowym i obwodowym układem nerwowym [1]. DT-MRI jest metodą obrazowania struktur istoty białej mózgu [1, 5 ]. Ujawnienie systemu połączeń pozwala na zrozumienie funkcjonalnej organizacji mózgu, a także dostarcza informacji o nieprawidłowościach w tych strukturach [16]. Rozpowszechnienie tej metody pozwoli na zobrazowanie połączeń szlaków nerwowych w całym organizmie. W diagnostyce otorynolaryngologicznej, szczególnie otoneurologicznej postrzegane są następujące możliwości aplikacyjne: – ocena drogi słuchowej, węchowej, smakowej w aspekcie rozwoju fizjologicznego; – zaburzenie funkcji dróg poszczególnych zmysłów w warunkach przebiegu chorób neurodegeneracyjnych (choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, zespoły miażdżycowe, cukrzyca, choroby metaboliczne, neuropatie pochodzenia nerkowego); – diagnostyka u chorych z obwodowym i ośrodkowym uszkodzeniem narządu słuchu przed leczeniem operacyjnym oraz monitorowanie pooperacyjne; – wyznaczenie parametrów morfologicznych na podstawie analizy obrazu drogi słuchowej w leczeniu metodą implantów ślimakowych oraz zakotwiczonych w kości ( BAHA). ing with clinically feasible diffusion-tensor MR imaging: initial experience. Radiology 2003; 227(1): 295-301. 6. Maddah M. Mewes A.U.J. , Haker S., Grimson, E. L. Warfield, S.K. Automated Atlas-Based Clustering of White Matter Fiber Tracts from DTMRI. MCCAI 2005Vol. 3749/2005 (188-195) 7. Behrens, T.E.J. Johansen Berg, H., Jbabdi, S., Rushworth, M.F.S., Woolrich, M.W. Probabilistic diffusion tractography with multiple fibre orientations:What can we gain? Neuroimage 2007 (34): 144-155 8. Behrens,T.E.; Johansen-Berg, H.; Woolrich,M.W.; Smith,S. M.; Wheeler-Kingshott,C.A; Boulby, P.A. i wsp Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat-Neurosc 2003. Jul; 6(7): 750-7 9. Corouge, I., Gouttard, S., Gerig, G. Towards a shape model of white fiber bundles using diffusion tensor MRI. Interantion symposium on Biomedical Imaging 2004 Vol 1 (344-347) 10. Lazar, M.; Weinstein, D.M.; Tsuruda, J.S.; Hasan, K.M.; Arfanakis, K.; Meyerand, M.E. i wsp. White matter tractography using diffusion tensor deflection. Hum-BrainMapp. 2003 Apr; 18(4): 306-21 11. Maddah, M., Wells,W.M., Warfield, S.K., Westin, C.F., Eric, W., Grimson, L. A Spatial Model of White Matter Fiber Tracts http://web.mit.edu/mmaddah/www/mahnaz_ISMRM2007_clustering_fibertracts.pdf 12. Witwer, B. P., Moftakhar, R., Hasan, K.M., Deshmukh, P., PIŚMIENNICTWO Haughton, V., Field A., Diffusion-tensor imaging of white 1. matter tracts in patients with cerebral neoplasm. J Neuro- Basser PJ, Pajevic S, Pierpaoli C, Duda J, Aldroubi A. In vivo fiber tractography using DT-MRI data. Magn Reson Med 2000; 44(4): 625-32. 2. Melhem ER, Mori S, Mukundan G, Kraut MA, Pomper MG, van Zijl PC. Diffusion tensor MR imaging of the brain and white matter tractography. AJR Am J Roentgenol. 2002; 3. Curr Opin Neurol. 2006 Aug; 19(4): 379-85 14. Taoka, T.; Iwasaki, S.; Sakamoto, M.; Nakagawa, H.; Fukusumi, A.; Myochin, K.;i wsp. Diffusion anisotropy and Watts, R.; Liston, C.; Niogi, S.; Ulug, A.M. Fiber tracking diffusivity of white matter tracts within the temporal stem using magnetic resonance diffusion tensor imaging and its in Alzheimer disease: evaluation of the “tract of interest” applications to human brain development.Ment-Retard- by diffusion tensor tractography. AJNR-Am-J-Neuroradiol. 2006 May; 27(5): 1040-5 Walecki J., Pawłowska-Detko A., Adamczyk M. Rola 15. Catani, M.; Jones, D. K.; Donato, R.; Ffytche, D.H.. Occipi- współczesnych metod obrazowania w rozpoznaniu i moni- to-temporal connections in the human brain. Brain. 2003 torowaniu otępienia. Polski Przegląd Neurologiczny 2007: 3, 2 5. diffusion tractography can add in clinical neuroscience 178(1): 3-16. Dev-Disabil-Res-Rev.; 2003 9(3): 168-77 4. surg 2002 97: 568-575 13. Johansen-Berg H, Behrens TE. Just pretty pictures? What Sep; 126(Pt 9): 2093-107 16. Lazar, M., Weinstein, D., Hasan, K., Alexander, A.L Axon Yamada Kei; Kizu Osamu; Mori Susumu; Ito Hirotoshi; Tractography with Tensorlines. Proc. Intl. Soc. Mag. Re- Nakamura Hisao; Yuen Sachiko; i wsp. Brain fiber track- son. Med. 8 2000 O tolar yngologia Polska tom 63, nr 5, wr zesień – pa ździernik 20 0 9
