PMC

hoe worden NEUROIMAGING TESTS uitgevoerd en wat kunnen ze ons vertellen?

gewone films van de schedel volgen hetzelfde principe als standaard röntgenfoto ‘ s van andere orgaansystemen (één stralingsbron en één sensor of film), maar ze zijn beperkt bruikbaar. CT-beelden (figuur 1) worden gemaakt door het serieel verkrijgen van röntgenstralen in een roterend axiaal vlak. Net als bij röntgenfoto’ s hebben verschillende lichaamsweefsels specifieke dempingseigenschappen met CT-beelden; dit maakt water, vet, been, en andere weefseltypes verschillend op de film of digitale sensor verschijnen. Hoe hoger de demping, hoe lichter het materiaal zal verschijnen op de CT-scan. Omdat CT-scanners seriële röntgenstralen meten in een axiaal vlak, worden CT-beelden meestal weergegeven in axiale schijfjes (met een typische In-plane resolutie van minder dan 1 mm). Hoewel computationele reconstructie-algoritmen CT-beelden kunnen presenteren in een sagittaal of coronaal vlak, verliest dergelijke data manipulatie ruimtelijke resolutie en detail.1

de CT-technologie kan worden verbeterd door het gebruik van een contrastmateriaal. Contrastmiddelen voor CT zijn radiopaak en hebben een hoge demping van de röntgenstraling; ze zijn wit op CT-beelden. Contrast wordt meestal intraveneus geïnjecteerd om beeldvorming van vasculaire structuren (bijvoorbeeld, CT angiografie) of laesies die de bloed-hersenbarrière verstoren (bijvoorbeeld, secundair aan ontsteking, bloedingen, bepaalde tumoren). CT-contrastmiddelen kunnen ionisch of niet-ionisch zijn, hoewel de huidige neuroimaging toepassingen bijna uitsluitend afhankelijk zijn van het gebruik van niet-ionische contrasten omdat ze een beter veiligheidsprofiel hebben.2

de MRI-technieken gebruiken geen straling; in plaats daarvan worden de magnetische eigenschappen van waterstofionen in het lichaam gebruikt. Een patiënt in de MRI-scanner is onder invloed van een sterke magneet in standaard klinische toepassingen, meestal 1,5 of 3 Tesla. Deze magnetische kracht richt een aanzienlijk deel van de waterstofatomen van het lichaam in de richting van het magnetische veld. Een korte radiofrequentieimpuls wordt dan toegepast om de vectoren van de waterstofatomen te verschuiven en verkeerd af te stemmen. Echter, nadat de puls eindigt, waterstofatomen terugkeren naar hun oorspronkelijke uitgelijnde positie door een proces genaamd Proton ontspanning dat energie vrijmaakt. Tijdens een scan worden meerdere radiofrequente pulsen toegepast (pulsvolgorde) en meten elektromagnetische ontvangerspoelen de energie die door de protonen wordt uitgezonden.3 verschillende variabelen bepalen het proton relaxatieproces, dat verantwoordelijk is voor het type signaal dat elk waterstofatoom uitzendt. Twee belangrijke factoren zijn relevant voor de clinicus: het milieu waar het waterstofatoom wordt gevonden en de pulsvolgorde die wordt toegepast.

tijdens het proces van heruitlijning (relaxatie van protonen) geven de atomen energie uit, maar dit varieert afhankelijk van de fysische en chemische omgeving van het atoom. Daarom zullen protonen verschillende signalen sturen, afhankelijk van het weefseltype waarin ze worden gevonden (bijvoorbeeld bot, grijze stof, witte stof, cerebrospinale vloeistof ). Naast het weefseltype bepalen de parameters in de MRI – pulsvolgorde ook de eigenschappen van de waargenomen beelden. Het mechanisme van protonontspanning heeft 2 tijdconstanten: T1 en T2. Deze constanten reflecteren verwante maar onafhankelijke fysische mechanismen van het proton relaxatieproces: T1 verklaart de ontspanning naar het oorspronkelijke vlak uitgelijnd met het magnetische veld, en T2 verklaart de ontspanning weg van het vlak gedwongen door de radiofrequente puls. T1-en T2-ontspanningscomponenten kunnen worden gemanipuleerd om protonen te dwingen zich te heruitlijnen op manieren die T1-of T2-tijden maximaliseren.4 Deze verschillende MRI-protocollen veranderen het proton relaxatieproces en het signaal dat wordt uitgezonden; daarom worden verschillende soorten beelden gevormd die specifieke kenmerken van weefselstructuur benadrukken. T1-gewogen beelden (figuur 2A) aanwezig met grijze stof donkerder dan witte stof (reflecterende weefselverschijning) en met donker verschijnende CSF. Deze beelden zijn ideaal om de normale structuur van de hersenen te visualiseren, evenals pathologische atrofie, corticale dysplasie en sclerose. T2 beelden (figuur 3A) tonen een patroon tegenover T1-gewogen scans, met grijze stof lichter dan witte stof (tegenover het weefsel) en met heldere CSF. Deze beelden zijn gevoeliger voor pathologische processen zoals vasculaire veranderingen (met inbegrip van chronische microvasculaire beledigingen), demyelinisatie, algemene ontsteking, en oedeem.1

T1 – en T2-gewogen beelden kunnen worden gewijzigd om hun diagnostische resolutie te verhogen met protocollen die specifieke signaalbronnen onderdrukken. Bijvoorbeeld, kan men het hyperintense signaal van CSF in T2-gewogen beelden met de vloeibare verzwakte omgekeerde terugwinning of FLAIR opeenvolging onderdrukken (figuur 3B). Deze T2 beelden presenteren daarom met licht-verschijnende grijze kwestie, en met donkerder witte kwestie, en zij bieden hoge kenmerkende waarde voor pathologisch proces aan (zoals ontsteking, oedeem, of ischemie). Toch lijkt CSF zwart omdat het meestal hyperintense signaal onderdrukt wordt, en dit verhoogt het contrast en de zichtbaarheid van pathologische laesies, met name, maar niet uitsluitend, in gebieden die in contact komen met CSF (bijvoorbeeld corticale rand of periventriculaire regio ‘ s). Met een gelijkaardige strategie, bestaan verschillende vet-onderdrukkende MRI benaderingen en worden gebruikt wanneer structuren die vet bevatten de visualisatie van een potentiële laesie verduisteren (bijvoorbeeld, perivasculair vet rond een ontleed vat of trombus). Deze benaderingen kunnen worden gebruikt met zowel T1-als T2-gewogen beelden.Tabel 1 geeft een samenvatting van de visuele presentatie van de verschillende MRI-sequenties.

Diffusion-weighted imaging (DWI) is een afzonderlijke MRI-acquisitiemethode die de bewegingen van watermoleculen in de hersenen meet. Een watermolecuul in een glas water heeft isotrope kinetiek, dat wil zeggen, het verspreidt vrij in alle mogelijke richtingen. Watermoleculen in de hersenen diffunderen niet willekeurig; hun beweging wordt beperkt door de beperkingen van de cerebrale anatomie en de histologische structuur. Diffusie-gewogen beeldvorming is in staat om water diffusiviteit te meten in elke gedefinieerde voxel (of volume element) in de hersenen, en hoe meer anisotropie (dwz, beperkte diffusiviteit), hoe meer hyperintense de voxel verschijnt. Deze benadering is gebruikt om de structurele anatomie van witte materie traktaten met diffuse tensorweergave in kaart te brengen. Dit niet-invasieve hulpmiddel is van groot belang voor de wetenschappelijke studie van menselijke anatomie in vivo, maar de diffuse tensorweergave heeft ook Groeiende klinische toepassingen, in het bijzonder in neurochirurgische planning.

in het algemeen wordt DWI gebruikt om een aantal pathologische aandoeningen te diagnosticeren waarin watermoleculen met verminderde diffusiviteit aanwezig zijn. De gemeenschappelijkste en klinisch relevante toepassing is die van het diagnosticeren van scherpe ischemische slagen. Het gebrek aan zuurstof veroorzaakt cytotoxische schade aan cellen in het getroffen gebied, het veroorzaken van zwelling en oedeem. Onder deze voorwaarden, neemt anisotropie toe toe te schrijven aan de verhoogde dichtheid van molecules (veroorzakend voxels om helderder in DWI binnen het eerste uur na een scherpe ischemische slag te verschijnen). Andere pathologische processen (zoals abcessen, hypercellulaire tumoren , of excitotoxiciteit) presenteren ook beperkingen aan waterdiffusie toe te schrijven aan de verhoogde dichtheid van de weefselstructuur en kunnen als hyperintense letsels in DWI-scans worden geà dentificeerd.1,3

de DWI-scans zijn niet alleen gevoelig voor veranderingen in anisotropie, maar ook voor T1-en T2-relaxatiemechanismen. Daarom kunnen T1 en T2 signaalveranderingen ook in DWI-kaarten worden gezien en kunnen als veranderingen in anisotropie verkeerd worden geà dentificeerd. Dit fenomeen is van groot belang bij het onderscheiden van acute en chronische beroertes. Om verkeerde identificatie te voorkomen, worden DWI-beelden altijd vergeleken met kwantitatieve beelden van de diffusiecoëfficiënt, bekend als schijnbare diffusiecoëfficiënt kaarten. Dat wil zeggen dat DWI-scans hebben beperkte diagnostische waarde indien geanalyseerd onafhankelijk van schijnbare diffusiecoëfficiënt beelden, en men moet altijd vergelijken de 2 scans. Echte reductie in diffusiviteit, die voortvloeit uit elk pathofysiologisch proces, zal altijd aanwezig zijn als hyperintense voxels in DWI en hypointense voxels in schijnbare diffusiecoëfficiënt scans. Als dit patroon niet wordt waargenomen, is het mechanisme dat het effect drijft waarschijnlijk anders dan verhoogde anisotropie. Een bekend voorbeeld, T2-shine through, komt voor bij chronische ischemische beroertes. Deze laesies presenteren met T2 hyperintensity en kunnen ook verschijnen als hyperintensities in DWI maar met normale of meer in het algemeen hyperintense signalen in schijnbare diffusie coëfficiënt kaarten. Als men naar het DWI-beeld in isolatie kijkt, kan de laesie worden verward met een acute beroerte, en kan de patiënt trombolytische therapie krijgen. Maar, als men kijkt naar alle beelden samen, kan worden geconcludeerd dat de veranderingen in T2 signaal van de oude slag “schijnen door” de DWI-scan en kan worden waargenomen als hyperintense laesies in zowel de DWI en schijnbare diffusie coëfficiënt kaarten, die niet kan weerspiegelen verhoogde anisotropie.4

Gadolinium is het meest gebruikte MRI-contrastmateriaal vanwege zijn paramagnetische eigenschappen. Net als contrastmiddelen voor CT-beeldvorming wordt gadolinium intraveneus geïnjecteerd en gebruikt om letsels op te sporen of uit te sluiten die de bloed-hersenbarrière breken. MR angiografie van het hoofd Gebruikt geen contrastagenten zoals in CT-angiografie worden gebruikt, maar in plaats daarvan, staan de specifieke Mr-impulsopeenvolgingen voor de niet-invasieve visualisatie van de vasculature toe.1 nek MR angiografie kan gadolinium of dezelfde pulse sequentie gebruikt voor hoofd MR angiografie.1

functionele MRI (fMRI) is een beeldvormingsmodaliteit die tot voor kort uitsluitend als onderzoeksinstrument werd gebruikt; het is nu echter ontwikkeld voor bepaalde beperkte, maar groeiende, klinische toepassingen5 (Figuur 4). In tegenstelling tot de bovengenoemde MRI-modaliteiten, wordt fMRI geoptimaliseerd om de functie (niet de structuur) van hersengebieden en circuits te meten. De MRI – Pulse sequenties zijn ontworpen om de verhouding tussen oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine te detecteren. Wanneer een hersengebied zijn activiteit verhoogt, bijvoorbeeld in de context van een bepaalde taak, verhoogt het ook zijn metabolische en oxygenatiebehoeften. In deze context, 2 verschijnselen gebeuren parallel. Ten eerste, omdat meer zuurstof wordt gebruikt, wordt meer oxyhemoglobine omgezet in deoxyhemoglobine en neemt de absolute hoeveelheid deoxyhemoglobine toe. Ten tweede, omdat er meer zuurstof nodig is, wordt een gekoppeld neurovasculair mechanisme geactiveerd dat activiteitsafhankelijke lokale vasodilatatie induceert die de regionale bloedstroom met oxyhemoglobine verhoogt. De optelling van de 2 processen induceert een absolute en relatieve toename van oxyhemoglobine die correleert met de toename van hersenactiviteit. Daarom kan fMRI veranderingen in regionale bloedstroom en oxyhemoglobineconcentratie dynamisch detecteren, en door deze maatregelen weerspiegelt het veranderingen in hersenactiviteit met een goede ruimtelijke resolutie.6

magnetische resonantiespectroscopie is een MRI-gebaseerde toepassing die wordt gebruikt om de relaxatie-eigenschappen van specifieke chemische bindingen buiten waterstofatomen te meten. In tegenstelling tot de vorige methoden meet het niet de hele hersenen, maar selecteert het een vooraf bepaald gebied en meet het de relatieve concentraties van bepaalde chemische elementen of moleculen. Magnetische resonantiespectroscopie wordt daarom niet gebruikt om de structuur of functie van de hersenen te meten, maar de chemische samenstelling. De methode wordt veel gebruikt in onderzoek, maar is langzaam het vinden van zijn plaats in de klinische setting voor de detectie van tumoren, epileptische foci, vasculaire laesies, of gebieden van demyelinisatie.Positron emission tomography (PET) is een diagnostische techniek voor de nucleaire geneeskunde die wordt gebruikt om functionele hersenscans te verkrijgen, vergelijkbaar met fMRI en verschillend van standaard CT-en MRI-scans die structurele informatie opleveren. De HUISDIERENTECHNIEK kan worden gebruikt om 3 primaire variabelen te meten: regionale bloedstroom, metabolische veranderingen, en neurotransmitterdynamica. Nieuwe experimentele benaderingen zijn in ontwikkeling om meer verfijnde biologische mechanismen, zoals eiwitsynthese, tweede boodschappersystemen, en genuitdrukking te identificeren.In tegenstelling tot fMRI, dat ook een functionele neuroimaging modaliteit is, vereist PET de injectie van een radioactieve stof of radiofarmaceutisch middel dat selectief in de hersenen (en alle andere organen) wordt verdeeld, terwijl het energie afgeeft in de vorm van γ-fotonen. De regionale opname, distributie, en wash-out van deze fotonen kunnen worden gekwantificeerd gebruikend de speciale receptorrollen huidig in de scanner, en de berekende informatie kan worden gebruikt om tomografische beelden van de hersenen te verkrijgen die de neurobiologische variabele van belang (b.v., bloedstroom, glucoseabsorptie, dopamine receptordichtheid) identificeren.

positronemissietomografie vereist positronemissieisotopen van chemische elementen die radioactieve nucliden worden genoemd. Nucliden worden gecreëerd in een cyclotron door positieve ladingen toe te voegen aan de kern van chemische elementen die algemeen worden gevonden in organische moleculen, zoals 11-koolstof (11C), 15-zuurstof (15O), 18-fluor (18F) en 13-stikstof (13N). Met deze nucliden, kan men dan radiofarmaceutica creëren, die moleculen van biologische betekenis zijn die 1 van deze radioactieve elementen dragen en daarom radioactieve energie (γ fotonen) uitstralen. Aangezien het nuclide een overmaat aan protonen heeft, geeft het een positief geladen deeltje (een positron) af om terug te keren naar een stabielere toestand. Dit positron botst met de negatief geladen elektronen die de kern omringen, en als gevolg van deze botsing (annihilatie) worden 2 γ fotonen gecreëerd. Deze 2 γ fotonen worden na de botsing in tegengestelde richting (180°) van elkaar voortgestuwd tot ze bij de detectoren in de PET camera aankomen. Detectoren in de PET-camera die tegenover elkaar staan zijn verbonden en gesynchroniseerd in een toevallig circuit, zodat wanneer ze beiden een γ-foton ontvangen binnen een bepaald tijdvenster, het kan worden geïdentificeerd als het resultaat van een annihilatie gebeurtenis die plaatsvond op een specifiek punt in de vector die de 2 detectoren verbindt. Beeld-reconstructie algoritmen kunnen de exacte positie waar de botsing plaatsvond identificeren en illustreren in de tomografische hersenen beeld.

de aard en het chemische ontwerp van het radiofarmaceuticum bepalen de biologische functie die kan worden gemeten. Om de bloedstroom te meten, kan men 15O kiezen die een korte halfwaardetijd heeft (ongeveer 2 minuten) en kan worden gebruikt om radioactieve watermoleculen (H215O) te creëren die intraveneus worden geïnjecteerd. Men kan ook 15o gebruiken om radioactief koolstofdioxide (C15O2) te creëren, dat kan worden ingeademd. Om metabolische activiteit te meten, kan men een verbinding creëren en radioactief labelen die cellen met glucose (18F-fluorodeoxyglucose of 18F-FDG) zullen verwarren. De FDG zal worden geabsorbeerd en gefosforyleerd in cellen net als glucose, maar zal niet verder worden verwerkt in metabole routes en daarom blijft gevangen in de cel. Belangrijk is dat FDG evenredig wordt opgenomen aan de metabolische behoeften van cellen, net als glucose. Als gevolg daarvan zullen metabolisch hyperactieve neuronen (zoals die van een ictal focus) meer radioactieve verbinding vangen, en hypoactieve neuronen (zoals die in gebieden van neurodegeneratie) zullen een lager percentage γ-fotonen uitzenden. Deze veranderingen zullen worden weerspiegeld in de hersenkaarten.

veranderingen in regionale bloedstroom of metabolisme kunnen worden gebruikt als indirecte maat voor hersenactiviteit, die ook kan worden gemeten met alternatieve modaliteiten (zoals fMRI). Toch is de toepassing die uniek is voor Nucleaire geneeskunde technieken is de beoordeling van neurotransmitterdynamiek. Een radioligand is een specifiek type radiofarmaceuticum dat is ontworpen om grote affiniteit te hebben voor een doelwit van belang en veel lagere affiniteit voor alle andere doelen, zodat het snel uit de bloedbaan en andere structuren wordt geklaard, maar vast blijft (en detecteerbaar) aan het doelwit, meestal een neurotransmitterreceptor. De radioligand moet ook de bloed-hersenbarrière kunnen passeren en biologisch inactief zijn.8

single photon emission computed tomography (SPECT) is ook een nucleaire geneeskunde modaliteit, maar verschilt van PET in de fysische reacties en de deeltjes die worden uitgestoten. De SPECT-nucliden zelf (in tegenstelling tot uitgestoten positronen) zullen botsen met lokale elektroden om stabieler te worden, en die reactie zal één enkel foton uitzenden (niet 2 fotonen zoals in PET). De SPECT techniek heeft slechtere ruimtelijke resolutie en gevoeligheid dan huisdier, en dit is het duidelijkst in diepe structuren waarin huisdier superieur is. Ook, SPECT is minder veelzijdig, aangezien het de rijke verscheidenheid van nucliden niet kan gebruiken die huisdier de meting van een brede reeks biologische processen toestaan. Toch is SPECT veel goedkoper en over het algemeen meer algemeen beschikbaar. De hogere kosten van PET worden veroorzaakt door verschillende variabelen, maar vooral door de behoefte aan een cyclotron en radiofarmaceutische synthese ter plaatse (gezien de korte halfwaardetijd van zijn producten). In tegenstelling, kunnen SPECT samenstellingen offsite worden gesynthetiseerd. Veelgebruikte elementen in SPECT zijn technetium (99 mTc), jodium (123I), of xenon (133Xe). Deze nucliden kunnen aan biologische molecules worden verbonden om SPECT radiofarmaceuticals tot stand te brengen, maar de pasvorm is moeilijker, aangezien technetium, jodium, of xenon niet van nature in gemeenschappelijke biochemicaliën aanwezig zijn.8