PMC

HOW ARE NEUROIMAGING TESTS CONDUCTED and what CAN THEY TELL US?

kallon pelkistetyt kalvot noudattavat samaa periaatetta kuin muiden elinjärjestelmien normaalit röntgenkuvat (yksi säteilylähde ja yksi anturi tai kalvo), mutta niiden käyttökelpoisuus on rajallinen. CT-kuvat (Kuva 1) on luotu sarjallisesti hankkimalla röntgensäteitä pyörivässä aksiaalitasossa. Kuten röntgenkuvissa, eri kehon kudoksilla on erityisiä vaimennusominaisuuksia CT-kuvilla; tämä saa veden, rasvan, luun ja muut kudostyypit näyttämään eri tavalla filmillä tai digitaalisella anturilla. Mitä suurempi vaimennus, sitä kevyempi materiaali näkyy CT-kuvauksessa. Koska CT-skannerit mittaavat sarjaröntgensäteitä aksiaalitasossa, CT-kuvat esitetään tyypillisesti aksiaalisina viipaleina (tyypillinen tason resoluutio on alle 1 mm). Vaikka laskennalliset jälleenrakennusalgoritmit voivat esittää CT-kuvia sagittaalisessa tai koronaalisessa tasossa, tällainen tietojen manipulointi menettää spatiaalisen resoluution ja yksityiskohdat.1

CT-tekniikkaa voidaan tehostaa käyttämällä varjoainetta. TT-varjoaineet ovat röntgensäteilyä läpäiseviä ja niillä on suuri röntgenvaimennus.; ne näkyvät valkoisina TT-kuvissa. Kontrasti on yleensä injektoidaan laskimoon, jotta kuvantaminen verisuonten rakenteiden (esim.CT angiografia) tai vaurioita, jotka häiritsevät veri-aivoesteen (esim, toissijainen tulehdus, verenvuoto, tietyt kasvaimet). CT-varjoaineet voivat olla ionisia tai nonionisia, joskin nykyiset neuroimaging-sovellukset perustuvat lähes yksinomaan nonionisten kontrastien käyttöön, koska niillä on parempi turvallisuusprofiili.2

magneettikuvauksessa ei käytetä säteilyä, vaan käytetään kehon vetyionien magneettisia ominaisuuksia. Magneettikuvauslaitteen sisällä oleva potilas on vahvan magneetin vaikutuksen alaisena tavallisissa kliinisissä sovelluksissa, yleensä 1,5 tai 3 Teslaa. Tämä magneettinen voima kohdistaa merkittävän osan kappaleen vetyatomeista magneettikentän suuntaan. Vetyatomien vektorien siirtämiseen ja vinouttamiseen käytetään lyhyt radiotaajuuspulssi. Pulssin loputtua vetyatomit kuitenkin palaavat alkuperäiseen kohdalleen protonin relaksaatioksi kutsutulla prosessilla, joka vapauttaa energiaa. Skannauksen aikana käytetään useita radiotaajuisia pulsseja (pulssijakso), ja sähkömagneettiset vastaanottimen kelat mittaavat protonien lähettämää energiaa.3 eri muuttujaa määrittävät protonin relaksaatioprosessin, joka vastaa kunkin vetyatomin lähettämän signaalin tyypistä. Kliinikon kannalta merkityksellistä on kaksi päätekijää: miljöö, jossa vetyatomi löytyy, ja pulssijakso.

uudelleensuuntautumisen (protonin relaksaation) aikana atomit lähettävät energiaa, mutta tämä vaihtelee atomin fysikaalisen ja kemiallisen ympäristön funktiona. Siksi protonit lähettävät erilaisia signaaleja riippuen kudostyypistä, jossa ne löytyvät (esim.luu, harmaa aine, valkoinen aine, aivo-selkäydinneste). Kudostyypin lisäksi magneettikuvauksen pulssisarjan parametrit määrittävät myös nähtyjen kuvien ominaisuudet. Protonin relaksaation mekanismilla on 2 aikavakiota: T1 ja T2. Nämä vakiot kuvastavat protonin relaksaatioprosessiin liittyviä mutta itsenäisiä fysikaalisia mekanismeja: T1 selittää relaksaation kohti alkuperäistä tasoa, joka on linjassa magneettikentän kanssa, ja T2 selittää relaksaation poispäin radiotaajuisen pulssin pakottamasta tasosta. T1-ja T2-relaksaatiokomponentteja voidaan manipuloida pakottamaan protonit uudelleenjärjestelyyn tavoilla, jotka maksimoivat T1-tai T2-ajat.4 nämä erilaiset MAGNEETTIKUVAUSPROTOKOLLAT muuttavat protonin relaksaatioprosessia ja lähetettävää signaalia; siksi muodostuu erityyppisiä kuvia, jotka korostavat kudosrakenteen erityispiirteitä. T1-painotetut kuvat (Kuva 2A), joissa harmaa aine on tummempaa kuin valkoinen aine (heijastava kudos) ja tummalta näyttävä aivo-selkäydinneste. Nämä kuvat ovat ihanteellisia visualisoimaan aivojen normaalia rakennetta sekä patologista atrofiaa, aivokuoren dysplasiaa ja skleroosia. T2-kuvissa (Kuva 3A) on T1-painotettuja kuvauksia vastakkainen kuvio, jossa harmaa aine on vaaleampaa kuin valkoinen aine (kudokseen nähden vastakkainen) ja jossa aivo-selkäydinneste on kirkas. Nämä kuvat ovat herkempiä patologisille prosesseille, kuten verisuonten muutoksille (mukaan lukien krooniset mikrovaskulaariset loukkaukset), demyelinaatiolle, yleiselle tulehdukselle ja turvotukselle.1

T1 – ja T2-painotettuja kuvia voidaan muuttaa niiden diagnostisen resoluution lisäämiseksi protokollilla, jotka tukahduttavat tiettyjä signaalilähteitä. Esimerkiksi aivo-selkäydinnesteen hyperintensiteettisignaalia voidaan T2-painotetuissa kuvissa vaimentaa fluidilla vaimennetulla käänteisoperaatiolla tai FLAIR-sekvenssillä (kuva 3B). Näissä T2-kuvissa esiintyy siis vaaleaa harmaata ainetta ja tummempaa valkoista ainetta, ja ne tarjoavat korkean diagnostisen arvon patologiselle prosessille (kuten tulehdukselle, turvotukselle tai iskemialle). Kuitenkin CSF näyttää musta, koska sen yleensä hyperintense signaali on tukahdutettu, ja tämä lisää suuresti kontrastia ja näkyvyyttä patologisia vaurioita, erityisesti, mutta ei yksinomaan, alueilla kosketuksissa CSF (esim, aivokuoren reuna tai periventrikulaarinen alueet). Samankaltaisella strategialla on olemassa erilaisia rasvaa vaimentavia MAGNEETTIKUVAUSMENETELMIÄ, ja niitä käytetään, kun rasvaa sisältävät rakenteet hämärtävät mahdollisen leesion visualisointia (esim.perivaskulaarinen rasva leikellyn astian tai trombin ympärillä). Näitä lähestymistapoja voidaan käyttää sekä T1-että T2-painotetuilla kuvilla.3taulukko 1 sisältää yhteenvedon eri MAGNEETTIKUVAUSJAKSOJEN visuaalisesta esityksestä.

Diffuusiopainotettu kuvantaminen (DWI) on erillinen magneettikuvauksen hankintamenetelmä, joka mittaa vesimolekyylien liikkeitä aivoissa. Vesilasissa olevalla vesimolekyylillä on isotrooppinen kinetiikka, eli se diffundoituu vapaasti kaikkiin mahdollisiin suuntiin. Aivojen vesimolekyylit eivät hajaannu satunnaisesti, vaan niiden liikettä rajoittavat aivojen anatomian ja histologisen rakenteen rajoitteet. Diffuusiopainotteinen kuvantaminen pystyy mittaamaan veden diffuusiota jokaisessa määritetyssä vokselissa (tai tilavuuselementissä) aivoissa, ja mitä enemmän anisotropiaa (eli rajoitettua diffuusiota), sitä hyperintensiteettiä Vokseli esiintyy. Tätä lähestymistapaa on käytetty valkean aineen traktaattien rakenneanatomian kartoittamiseen diffuusiotensorikuvauksella. Tällä ei-invasiivisella työkalulla on suuri merkitys ihmisen anatomian tieteellisessä tutkimuksessa in vivo, mutta diffuusiotensorikuvauksella on myös kasvavia kliinisiä sovelluksia, erityisesti neurokirurgisessa suunnittelussa.

yleisemmin DWI: tä käytetään diagnosoimaan useita patologisia tiloja, joissa vesimolekyylien diffusiviteetti on heikentynyt. Yleisin ja kliinisesti merkittävä sovellus on akuutin iskeemisen aivohalvauksen diagnosointi. Hapenpuute aiheuttaa soluille soluvaurioita kyseisellä alueella aiheuttaen turvotusta ja turvotusta. Näissä olosuhteissa, anisotropia kasvaa, koska lisääntynyt tiheys molekyylien (aiheuttaa vokselit näyttävät kirkkaampi DWI ensimmäisen tunnin kuluttua akuutti iskeeminen aivohalvaus). Muut patologiset prosessit (kuten paiseet, hypersellulaarinen kasvaimet , tai eksitotoksisuus) myös esittää rajoituksia veden diffusivity johtuu lisääntynyt tiheys kudosrakenteen ja voidaan tunnistaa hyperintense leesiot DWI skannaa.1,3

DWI-skannaukset ovat herkkiä anisotropian muutosten lisäksi myös T1-ja T2-relaksaatiomekanismeille. Siksi T1 – ja T2-signaalimuutoksia voidaan nähdä myös DWI-kartoissa ja ne voidaan tunnistaa väärin anisotropian muutoksiksi. Tällä ilmiöllä on suuri merkitys eroteltaessa akuutteja ja kroonisia aivohalvauksia. Virheellisen tunnistamisen välttämiseksi DWI-kuvia verrataan aina diffuusiokertoimen kvantitatiivisiin kuviin, joita kutsutaan näennäisen diffuusiokertoimen kartoiksi. Toisin sanoen, että DWI skannaa on rajoitettu diagnostinen arvo, jos analysoidaan riippumatta näennäinen diffuusiokerroin kuvia, ja yksi on aina verrata 2 Skannaa. Todellinen diffuusiviteetin väheneminen, joka johtuu mistä tahansa patofysiologisesta prosessista, tulee aina esiintymään hyperintensiteettinä vokseleina DWI: ssä ja hypointenseisina vokseleina näennäisissä diffuusiokertoimen skannauksissa. Jos tätä kaavaa ei havaita, vaikutusta ajava mekanismi on todennäköisesti erilainen kuin lisääntynyt anisotropia. Tunnettu esimerkki, T2-shine through, esiintyy kroonisissa iskeemisissä aivohalvauksissa. Nämä vauriot läsnä T2 hyperintensiteetti ja voi myös näkyä hyperintensiteettejä DWI mutta normaali tai yleisemmin hyperintense signaaleja näennäinen diffuusiokerroin karttoja. Jos tarkastellaan DWI-kuvaa erikseen, vaurio voidaan sekoittaa akuuttiin aivohalvaukseen ja potilaalle voidaan antaa trombolyyttistä hoitoa. Mutta, jos tarkastellaan kaikkia kuvia yhdessä, voidaan päätellä, että muutokset T2 signaalin vanhasta aivohalvaus ”paistaa läpi” DWI scan ja voidaan havaita hyperintense vaurioita sekä DWI ja näennäinen diffuusiokerroin kartat, joka ei voi heijastaa lisääntynyt anisotropia.4

Gadolinium on yleisimmin käytetty MRI-varjoaine paramagneettisten ominaisuuksiensa vuoksi. Kuten CT-kuvantamisessa käytettävät varjoaineet, gadoliniumia annetaan suonensisäisesti ja sitä käytetään veri-aivoesteen rikkovien leesioiden havaitsemiseen tai poissulkemiseen. Pään angiografiassa ei käytetä varjoaineita, kuten CT-angiografiassa, vaan tietyt MR-pulssisarjat mahdollistavat verisuoniston noninvasiivisen visualisoinnin.1 kaulan Mr angiografiassa voidaan käyttää joko gadoliniumia tai samaa pulssisarjaa, jota käytetään pään Mr angiografiassa.1

funktionaalinen magneettikuvaus (fMRI) on kuvantamistapa, jota on viime aikoihin asti käytetty yksinomaan tutkimusvälineenä.nyt se on kuitenkin kehitetty tietyille rajoitetuille mutta kasvaville kliinisille sovelluksille5 (Kuva 4). Toisin kuin edellä mainitut MRI-modaliteetit, fMRI on optimoitu mittaamaan aivojen alueiden ja piirien toimintaa (ei rakennetta). Sen MRI-pulssijaksot on suunniteltu havaitsemaan oksihemoglobiinin ja deoksihemoglobiinin välinen suhde. Kun aivoalue lisää aktiivisuuttaan esimerkiksi tietyn tehtävän yhteydessä, se lisää myös sen aineenvaihdunta-ja hapetustarvetta. Tässä yhteydessä 2 ilmiötä tapahtuu rinnakkain. Ensinnäkin, koska enemmän happea käytetään, enemmän oksihemoglobiinia muuttuu deoksihemoglobiiniksi, ja deoksihemoglobiinin absoluuttinen määrä kasvaa. Toiseksi, koska tarvitaan enemmän happea, aktivoituu kytketty neurovaskulaarinen mekanismi, joka indusoi aktiivisuudesta riippuvan paikallisen vasodilataation, joka lisää veren alueellista virtausta oksihemoglobiinin kanssa. Kahden prosessin yhteenlasku indusoi absoluuttista ja suhteellista oksihemoglobiinin lisääntymistä, joka korreloi aivotoiminnan lisääntymisen kanssa. Siksi fMRI voi havaita muutoksia alueellisessa verenkierrossa ja oksihemoglobiinipitoisuudessa dynaamisesti, ja näiden mittausten avulla se heijastaa muutoksia aivotoiminnassa hyvällä spatiaalisella resoluutiolla.6

Magneettiresonanssispektroskopia on magneettikuvaukseen perustuva sovellus, jolla mitataan vetyatomien ulkopuolisten spesifisten kemiallisten sidosten relaksaatio-ominaisuuksia. Aiemmista menetelmistä poiketen se ei mittaa koko aivoja, vaan valitsee ennalta määritellyn alueen ja mittaa tiettyjen kemiallisten alkuaineiden tai molekyylien suhteellisia pitoisuuksia. Magneettiresonanssispektroskopiaa ei siis käytetä aivojen rakenteen tai toiminnan mittaamiseen, vaan sen kemiallisen koostumuksen mittaamiseen. Menetelmää käytetään laajalti tutkimuksessa, mutta se on hitaasti löytämässä paikkansa kliinisessä ympäristössä kasvainten, epileptisten pesäkkeiden, verisuonten vaurioiden tai demyelinaatioalueiden havaitsemiseksi.7

positroniemissiotomografia (PET) on isotooppilääketieteen diagnostinen tekniikka, jota käytetään funktionaalisten aivojen kuvaamiseen, joka on samanlainen kuin fMRI ja eroaa tavanomaisista CT-ja MRI-kuvauksista, jotka antavat rakenteellista tietoa. PET-tekniikalla voidaan mitata 3 ensisijaista muuttujaa: alueellinen verenkierto, metaboliset muutokset ja neurotransmitteridynamiikka. Kehitteillä on uusia kokeellisia lähestymistapoja, joilla voidaan tunnistaa kehittyneempiä biologisia mekanismeja, kuten proteiinisynteesiä, second messenger-järjestelmiä ja geeniekspressiota.8 toisin kuin fMRI, joka on myös toiminnallinen neuroimaging modaliteetti, PET vaatii ruiskuttamaan radioaktiivista ainetta tai radiofarmaseuttista ainetta, joka jakautuu selektiivisesti aivoihin (ja kaikkiin muihin elimiin), samalla kun se lähettää energiaa γ-fotonien muodossa. Näiden fotonien alueellista kertymistä, jakautumista ja poistumista voidaan kvantifioida skannerissa olevien erityisten reseptorikäämien avulla, ja laskettuja tietoja voidaan käyttää tomografisten kuvien saamiseksi aivoista, jotka tunnistavat kiinnostavan neurobiologisen muuttujan (esim.verenkierto, glukoosin imeytyminen, dopamiinireseptoritiheys).

positroniemissiotomografia vaatii radioaktiivisiksi nuklideiksi kutsuttujen alkuaineiden positroniemissioita aiheuttavia isotooppeja. Nuklideja syntyy syklotronissa lisäämällä positiivisia varauksia orgaanisissa molekyyleissä yleisesti esiintyvien alkuaineiden ytimeen, kuten 11-hiili (11c), 15-happi (15o), 18-fluori (18F) ja 13-typpi (13N). Näiden nuklidien avulla voidaan sitten luoda radiofarmaseuttisia aineita, jotka ovat biologisesti merkittäviä molekyylejä, jotka kuljettavat 1: tä näistä radioaktiivisista alkuaineista ja lähettävät siten radioaktiivista energiaa (γ-fotoneja). Koska nuklidissa on ylimäärä protoneja, se vapauttaa positiivisesti varautuneen hiukkasen (positronin) palatakseen vakaampaan tilaan. Tämä positroni törmää ydintä ympäröiviin negatiivisesti varautuneisiin elektroneihin, ja tämän törmäyksen (annihilaatiotapahtuma) seurauksena syntyy 2 γ-fotonia. Nämä 2 γ-fotonia liikkuvat törmäyksen jälkeen vastakkaisiin suuntiin (180°) toisistaan, kunnes ne saapuvat PET-kameran ilmaisimiin. PET-kameran ilmaisimet, jotka sijaitsevat vastakkain toistensa kanssa, kytketään yhteen ja synkronoidaan yhteensattumapiirissä siten, että kun molemmat vastaanottavat γ-fotonin tietyssä aikaikkunassa, se voidaan tunnistaa annihilaatiotapahtuman tuloksena, joka tapahtui tietyssä pisteessä vektorissa, joka yhdistää 2 ilmaisinta. Kuvan rekonstruktioalgoritmit voivat tunnistaa tarkan paikan, jossa törmäys tapahtui, ja havainnollistaa sen tomografisessa aivokuvassa.

radiofarmaseuttisen aineen luonne ja kemiallinen rakenne määräävät mitattavan biologisen funktion. Verenkierron mittaamiseksi voidaan valita 15o, jolla on lyhyt puoliintumisaika (noin 2 minuuttia) ja jota voidaan käyttää laskimoon injektoitavien radioaktiivisten vesimolekyylien (H215O) muodostamiseen. 15o: n avulla voidaan myös luoda radioaktiivista hiilidioksidia (C15O2), jota voidaan hengittää. Metabolisen aktiivisuuden mittaamiseksi voidaan luoda ja merkitä radioaktiivisesti yhdiste, jonka solut sekoittavat glukoosiin (18F-fluorodeoksiglukoosi tai 18F-FDG). FDG imeytyy ja fosforyloituu soluissa aivan kuten glukoosi, mutta ei prosessoidu edelleen aineenvaihduntareiteissä ja jää siksi soluun loukkuun. Tärkeää on, että FDG imeytyy suhteessa solujen metabolisiin tarpeisiin, aivan kuten glukoosi. Tämän seurauksena metabolisesti hyperaktiiviset neuronit (kuten ictal focus) pyydystävät enemmän radioaktiivista yhdistettä, ja hypoaktiiviset neuronit (kuten neurodegeneraation alueilla) lähettävät pienemmän osuuden γ-fotoneista. Muutokset näkyvät aivokartoissa.

alueellisen verenkierron tai aineenvaihdunnan muutoksia voidaan käyttää aivotoiminnan epäsuorina mittoina, joita voidaan mitata myös vaihtoehtoisilla menetelmillä (kuten fMRI). Kuitenkin, sovellus, joka on ainutlaatuinen isotooppilääketieteen tekniikoita on arviointi välittäjäaineiden dynamiikkaa. Radioligand on tietyntyyppinen radiofarmaseuttinen aine, jolla on suuri affiniteetti kiinnostavaan kohteeseen ja paljon pienempi affiniteetti kaikkiin muihin kohteisiin, niin että se poistuu verenkierrosta ja muista rakenteista nopeasti, mutta pysyy kiinnitettynä (ja havaittavana) kohteeseen, yleensä välittäjäainereseptoriin. Radioligandin täytyy myös pystyä läpäisemään veri-aivoeste ja olla biologisesti inaktiivinen.8

Yksittäisfotoniemissiotomografia (SPECT) on myös isotooppilääketieteen modaliteetti, mutta se eroaa PET: stä fysikaalisten reaktioiden ja emittoituvien hiukkasten osalta. SPECT nuklidit itse (toisin kuin emittoituneet positronit) törmäävät paikallisiin elektrodeihin tullakseen vakaammiksi, ja tämä reaktio lähettää yhden fotonin (ei 2 fotonia kuten PET). SPECT-tekniikalla on huonompi spatiaalinen erottelukyky ja herkkyys kuin PET: llä, ja tämä näkyy selvimmin syvissä rakenteissa, joissa PET on ylivoimainen. SPECT on myös vähemmän monipuolinen, koska se ei voi käyttää runsaasti erilaisia nuklideja, jotka mahdollistavat PET: n mittaamisen monenlaisia biologisia prosesseja. SPECT on kuitenkin paljon halvempi ja yleisesti saatavilla. PET: n korkeampiin kustannuksiin vaikuttavat eri muuttujat, mutta merkittävimpänä tarve syklotronilla ja radiofarmaseuttisella synteesillä on oltava valmiudet paikan päällä (ottaen huomioon sen tuotteiden lyhyt puoliintumisaika). Sen sijaan SPECT-yhdisteitä voidaan syntetisoida offsite-menetelmällä. Yleisesti käytettyjä alkuaineita SPECTISSÄ ovat teknetium (99 mTc), jodi (123i) tai Ksenon (133xe). Nämä nuklidit voidaan liittää biologisiin molekyyleihin SPECT-radiofarmaseuttisten aineiden muodostamiseksi, mutta sovitus on vaikeampaa, koska teknetium, jodi tai Ksenon eivät ole luonnostaan läsnä yleisissä biokemikaaleissa.8