PMC

obrazy ważone T1 i T2 mogą być zmieniane w celu zwiększenia ich rozdzielczości diagnostycznej za pomocą protokołów, które tłumią określone źródła sygnału. Na przykład, można tłumić hiperintensywny sygnał CSF w obrazach ważonych T2 za pomocą fluid atenuated inverted recovery lub sekwencji FLAIR (Fig.3B). Te obrazy T2 zatem obecny z jasnej istoty szarej, i ciemniejszej istoty białej, i oferują wysoką wartość diagnostyczną dla procesu patologicznego (takich jak zapalenie, obrzęk, lub niedokrwienie). Niemniej jednak CSF wydaje się czarny, ponieważ jego Zwykle hiperintensywny sygnał jest tłumiony, co znacznie zwiększa kontrast i widoczność zmian patologicznych, szczególnie, ale nie wyłącznie, na terytoriach mających kontakt z CSF (np. obręcz korowa lub okolice okołoporodowe). Przy podobnej strategii istnieją różne metody MRI tłumiące tłuszcz i są stosowane, gdy struktury zawierające tłuszcz zaciemniają wizualizację potencjalnej zmiany (np. tłuszcz okołonaczyniowy wokół rozciętego naczynia lub skrzepliny). Podejścia te mogą być stosowane zarówno w przypadku obrazów ważonych T1, jak i T2.Tabela 1 zawiera podsumowanie wizualnej prezentacji różnych sekwencji MRI.

obrazowanie dyfuzyjne (DWI) jest odrębnym rodzajem metody akwizycji MRI, która mierzy ruchy cząsteczek wody w mózgu. Cząsteczka wody w szklance wody ma kinetykę izotropową, to znaczy dyfunduje swobodnie we wszystkich możliwych kierunkach. Cząsteczki wody w mózgu nie rozpraszają się losowo; ich ruch jest ograniczony ograniczeniami anatomii mózgu i struktury histologicznej. Obrazowanie dyfuzyjne jest w stanie zmierzyć dyfuzyjność wody w każdym zdefiniowanym wokselu (lub elemencie objętościowym) w mózgu, a im więcej anizotropii (tj. ograniczona dyfuzyjność), tym bardziej hiperintensywny pojawia się woksel. Podejście to zostało wykorzystane do mapowania anatomii strukturalnej traktów istoty białej za pomocą rozproszonego obrazowania tensorowego. To nieinwazyjne narzędzie ma ogromne znaczenie dla naukowego badania anatomii człowieka in vivo, ale rozproszone obrazowanie tensorowe ma również rosnące zastosowania kliniczne, szczególnie w planowaniu neurochirurgicznym.

częściej DWI jest używany do diagnozowania wielu stanów patologicznych, w których cząsteczki wody występują ze zmniejszoną dyfuzyjnością. Najczęstszym i klinicznie istotnym zastosowaniem jest diagnozowanie ostrych udarów niedokrwiennych. Brak tlenu powoduje cytotoksyczne uszkodzenia komórek w dotkniętym regionie, wywołując obrzęk i obrzęk. W tych warunkach anizotropia wzrasta ze względu na zwiększoną gęstość cząsteczek (powodując, że woksele wydają się jaśniejsze w DWI w ciągu pierwszej godziny po ostrym udarze niedokrwiennym). Inne procesy patologiczne (takie jak ropnie, guzy hiperkomórkowe lub ekscytotoksyczność) również ograniczają dyfuzyjność wody ze względu na zwiększoną gęstość struktury tkankowej i mogą być identyfikowane jako hiperintensywne zmiany w skanach DWI.1,3

skany DWI są wrażliwe nie tylko na zmiany anizotropii, ale także na mechanizmy relaksacji T1 i T2. W związku z tym zmiany sygnału T1 i T2 mogą być również widoczne na mapach DWI i mogą być błędnie identyfikowane jako zmiany anizotropii. Zjawisko to ma duże znaczenie przy różnicowaniu ostrych i przewlekłych udarów mózgu. Aby uniknąć błędnej identyfikacji, obrazy DWI są zawsze porównywane z ilościowymi obrazami współczynnika dyfuzji, znanego jako pozorna Mapa współczynnika dyfuzji. Oznacza to, że skany DWI mają ograniczoną wartość diagnostyczną, jeśli są analizowane niezależnie od pozornego współczynnika dyfuzji, i zawsze należy porównać skany 2. Prawdziwa redukcja dyfuzyjności, wynikająca z dowolnego procesu patofizjologicznego, zawsze będzie występować jako hiperintensywne woksele w DWI i hipointensywne woksele w pozornych skanach współczynnika dyfuzji. Jeśli ten wzór nie zostanie zaobserwowany, mechanizm napędzający efekt prawdopodobnie różni się od zwiększonej anizotropii. Dobrze znany przykład, T2-shine through, występuje w przewlekłych udarach niedokrwiennych. Zmiany te występują z hiperintensywnością T2 i mogą również występować jako hiperintensywność w DWI, ale z normalnymi lub częściej hiperintensywnymi sygnałami w pozornych mapach współczynnika dyfuzji. Jeśli spojrzeć na obraz DWI w izolacji, zmiana może być mylona z ostrym udarem, a pacjent może otrzymać leczenie trombolityczne. Ale jeśli spojrzymy na wszystkie obrazy razem, można stwierdzić, że zmiany w sygnale T2 ze starego udaru „świecą” przez skan DWI i można je zaobserwować jako hiperintensywne zmiany zarówno w Mapach DWI, jak i pozornego współczynnika dyfuzji, które nie mogą odzwierciedlać zwiększonej anizotropii.4

gadolin jest najczęściej stosowanym materiałem kontrastowym MRI ze względu na jego właściwości paramagnetyczne. Podobnie jak środki kontrastowe do obrazowania CT, gadolin wstrzykuje się dożylnie i służy do wykrywania lub wykluczania zmian, które przełamują barierę krew-mózg. Angiografia MR głowy nie wykorzystuje środków kontrastowych, jak są stosowane w angiografii tomograficznej, ale zamiast tego, specyficzne sekwencje impulsów MR pozwalają na nieinwazyjną wizualizację naczyń.1 angiografia MR szyi może wykorzystywać gadolin lub tę samą sekwencję impulsów stosowaną w angiografii MR głowy.1

funkcjonalny MRI (fMRI) jest modalnością obrazowania, która do niedawna była używana wyłącznie jako narzędzie badawcze; jednak obecnie została opracowana dla pewnych ograniczonych, ale rosnących zastosowań klinicznych5 (rycina 4). W przeciwieństwie do wyżej wymienionych metod MRI, fMRI jest zoptymalizowany do pomiaru funkcji (nie struktury) obszarów mózgu i obwodów. Jego sekwencje impulsów MRI mają na celu wykrycie stosunku między oksyhemoglobiną i deoksyhemoglobiną. Gdy obszar mózgu zwiększa swoją aktywność, na przykład w kontekście określonego zadania, zwiększa również swoje potrzeby metaboliczne i dotlenienie. W tym kontekście równolegle zachodzą 2 zjawiska. Po pierwsze, ponieważ stosuje się więcej tlenu, więcej oksyhemoglobiny zamienia się w deoksyhemoglobinę, a bezwzględna ilość deoksyhemoglobiny wzrasta. Po drugie, ponieważ potrzeba więcej tlenu, aktywowany jest sprzężony mechanizm nerwowo-naczyniowy, który indukuje zależne od aktywności lokalne rozszerzenie naczyń krwionośnych, które zwiększa regionalny przepływ krwi z oksyhemoglobiną. Sumowanie 2 procesów indukuje bezwzględny i względny wzrost oksyhemoglobiny, która koreluje ze wzrostem aktywności mózgu. Dlatego fMRI może dynamicznie wykrywać zmiany w regionalnym przepływie krwi i stężeniu oksyhemoglobiny, a dzięki tym środkom odzwierciedla zmiany w aktywności mózgu z dobrą rozdzielczością przestrzenną.6

spektroskopia rezonansu magnetycznego jest aplikacją opartą na rezonansie magnetycznym używaną do pomiaru właściwości relaksacyjnych określonych wiązań chemicznych poza atomami wodoru. W przeciwieństwie do poprzednich metod, nie mierzy całego mózgu, ale wybiera wstępnie zdefiniowany region i mierzy względne stężenia niektórych pierwiastków chemicznych lub cząsteczek. Spektroskopia rezonansu magnetycznego nie jest zatem stosowana do pomiaru struktury lub funkcji mózgu, ale jego składu chemicznego. Metoda jest szeroko stosowana w badaniach, ale powoli znajduje swoje miejsce w warunkach klinicznych do wykrywania guzów, ognisk padaczkowych, zmian naczyniowych lub obszarów demielinizacji.7

Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) jest techniką diagnostyczną stosowaną w medycynie nuklearnej w celu uzyskania funkcjonalnych skanów mózgu, podobnych do fMRI i różniących się od standardowych skanów CT i MRI, które dostarczają informacji strukturalnych. Technika PET może być stosowana do pomiaru 3 podstawowych zmiennych: regionalnego przepływu krwi, zmian metabolicznych i dynamiki neuroprzekaźników. Nowe eksperymentalne podejścia są w rozwoju w celu identyfikacji bardziej wyrafinowanych mechanizmów biologicznych, takich jak synteza białek, systemy drugiego posłańca i ekspresja genów.8 W przeciwieństwie do fMRI, który jest również funkcjonalną modalnością neuroobrazowania, PET wymaga wstrzyknięcia substancji radioaktywnej lub radiofarmaceutyku, który będzie selektywnie dystrybuowany w mózgu (i wszystkich innych narządach), emitując energię w postaci fotonów γ. Regionalny wychwyt, dystrybucja i wymywanie tych fotonów można określić ilościowo za pomocą specjalnych cewek receptora obecnych w skanerze, a obliczone informacje można wykorzystać do uzyskania obrazów tomograficznych mózgu, które identyfikują neurobiologiczną zmienną zainteresowania (np. przepływ krwi, absorpcja glukozy, gęstość receptora dopaminy).

Pozytonowa tomografia emisyjna wymaga pozytonowych izotopów pierwiastków chemicznych zwanych radioaktywnymi nuklidami. Nuklidy są tworzone w cyklotronie przez dodanie dodatnich ładunków do jądra pierwiastków chemicznych powszechnie występujących w cząsteczkach organicznych, takich jak 11-węgiel (11C), 15-tlen (15o), 18-fluor (18f) i 13-azot (13N). Za pomocą tych nuklidów można następnie tworzyć radiofarmaceutyki, które są cząsteczkami o znaczeniu biologicznym, które przenoszą 1 z tych pierwiastków promieniotwórczych, a zatem emitują energię radioaktywną (fotony γ). Ponieważ nuklid ma nadmiar protonów, uwalnia dodatnio naładowaną cząstkę (pozyton), aby powrócić do bardziej stabilnego stanu. Pozyton ten zderza się z ujemnie naładowanymi elektronami otaczającymi jądro, a w wyniku tego zderzenia (zdarzenia anihilacyjnego) powstają 2 γ fotony. Te 2 fotony γ po zderzeniu są napędzane w przeciwnych kierunkach (180°) od siebie, dopóki nie dotrą do detektorów w kamerze PET. Detektory w kamerze PET, które znajdują się naprzeciwko siebie, są połączone i zsynchronizowane w układzie zbiegu okoliczności, tak że gdy obie otrzymają Foton γ w danym oknie czasowym, można go zidentyfikować jako wynik anihilacji, która miała miejsce w określonym punkcie wektora łączącego 2 detektory. Algorytmy rekonstrukcji obrazu mogą zidentyfikować dokładną pozycję, w której doszło do kolizji i zilustrować ją w tomograficznym obrazie mózgu.

charakter i budowa chemiczna radiofarmaceutyku determinują biologiczną funkcję, którą można zmierzyć. W celu pomiaru przepływu krwi można wybrać 15O, który ma krótki okres półtrwania (około 2 minut) i może być używany do tworzenia radioaktywnych cząsteczek wody (H215O), które są wstrzykiwane dożylnie. Można również użyć 15O do wytworzenia radioaktywnego dwutlenku węgla (C15O2), który może być wdychany. Aby zmierzyć aktywność metaboliczną, można utworzyć i radioaktywnie oznaczyć związek, który komórki będą mylić z glukozą (18F-fluorodeoksyglukoza lub 18F-FDG). FDG będzie wchłaniany i fosforylowany w komórkach, podobnie jak glukoza, ale nie będzie dalej przetwarzany w szlakach metabolicznych i dlatego pozostaje uwięziony w komórce. Co ważne, FDG będzie wchłaniany proporcjonalnie do potrzeb metabolicznych komórek, podobnie jak glukoza. W rezultacie, metabolicznie nadpobudliwe neurony (jak te z ogniska ictalnego) będą wychwytywać więcej radioaktywnych związków, a hipoaktywne neurony (jak te w obszarach neurodegeneracji) będą emitować niższy odsetek fotonów γ. Zmiany te zostaną odzwierciedlone w Mapach mózgu.

zmiany w regionalnym przepływie krwi lub metabolizmie mogą być używane jako pośrednie miary aktywności mózgu, które mogą być również mierzone za pomocą alternatywnych metod (takich jak fMRI). Niemniej jednak unikalnym zastosowaniem technik medycyny nuklearnej jest ocena dynamiki neuroprzekaźników. Radioligand jest specyficznym rodzajem radiofarmaceutyku zaprojektowanym tak, aby miał duże powinowactwo do interesującego celu i znacznie mniejsze powinowactwo do wszystkich innych celów, tak że zostanie szybko usunięty z krwiobiegu i innych struktur, ale pozostanie przyłączony (i wykrywalny) do celu, zwykle receptora neuroprzekaźnika. Radioligand musi również być w stanie przekroczyć barierę krew-mózg i być biologicznie nieaktywny.8

tomografia komputerowa z emisją pojedynczych fotonów (SPECT) jest również modalnością medycyny nuklearnej, ale różni się od PET reakcjami fizycznymi i emitowanymi cząstkami. Same nuklidy SPECT (w przeciwieństwie do emitowanych pozytonów) zderzą się z lokalnymi elektrodami, aby stać się bardziej stabilnymi, a reakcja ta wyemituje pojedynczy Foton (a nie 2 fotony jak w PET). Technika SPECT ma gorszą rozdzielczość przestrzenną i czułość niż PET, a to jest najbardziej widoczne w głębokich strukturach, w których PET jest lepszy. Ponadto SPECT jest mniej wszechstronny, ponieważ nie może wykorzystywać bogatej gamy nuklidów, które umożliwiają PET pomiar szerokiego spektrum procesów biologicznych. Niemniej jednak SPECT jest znacznie tańszy i ogólnie bardziej dostępny. Wyższe koszty PET wynikają z różnych zmiennych, ale przede wszystkim z potrzeby posiadania możliwości syntezy cyklotronu i radiofarmaceutyków na miejscu (biorąc pod uwagę krótki okres półtrwania jego produktów). Natomiast związki SPECT mogą być syntetyzowane poza miejscem. Powszechnie stosowanymi pierwiastkami w SPECT są TechNet (99 mTc), JOD (123i) lub ksenon (133xe). Te nuklidy mogą być przyłączone do cząsteczek biologicznych w celu utworzenia radiofarmaceutyków SPECT, ale dopasowanie jest trudniejsze, ponieważ TechNet, jod lub ksenon nie są naturalnie obecne w zwykłych biochemikaliach.8