Advertisement

Der Radiologe

, Volume 55, Issue 9, pp 762–770 | Cite as

Grundlagen und Technik der diffusionsgewichteten MR‑Bildgebung und der Diffusions‑Tensor‑Bildgebung

  • M. Backens
Leitthema

Zusammenfassung

Hintergrund

Wassermoleküle im Gewebe sind aufgrund ihrer Wärmeenergie in ständiger regelloser Bewegung, die als Diffusion bezeichnet wird. Pathologisch veränderte Gewebe (z. B. Ischämie, Entzündung oder Neoplasien) weisen eine gegenüber dem Normalzustand veränderte Wasserdiffusion auf. Durch Einsatz diffusionsgewichteter MR-Bildgebung („diffusion-weighted imaging“, DWI) ist es möglich, die lokale Stärke und Vorzugsrichtung der Diffusionsbewegung für jedes Bildelement zu messen und somit diagnostische Gewebeinformationen zu erhalten, die über die Darstellung der Morphologie hinausgehen.

Methoden

Diffusionsgewichtete MR-Sequenzen basieren auf der sehr schnellen, aber auch artefaktanfälligen Echo-planar-imaging(EPI)-Technik. Mithilfe spezieller starker Magnetfeldgradientenpulse wird das MR-Signal empfindlich für mikroskopische Bewegungen der Wassermoleküle. Dadurch ergibt sich ein eigener Bildkontrast, zusätzlich zu T1 und T2. Lokale Abweichungen der Diffusionsstärke vom Normwert weisen auf pathologische Prozesse hin. DWI-Sequenzen erlauben die Messung der Diffusion entlang beliebiger Achsen, in der klinischen Routine werden jedoch meist nur richtungsgemittelte DWI-Bilder („trace map“) verwendet. „Diffusion tensor imaging“ (DTI) stellt eine Erweiterung der DWI dar, welche gezielt die Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) der Diffusion untersucht, um zusätzliche Informationen über die Mikrostruktur des Gewebes zu gewinnen.

Bewertung

Die diffusionsgewichtete MR-Bildgebung ist ein etabliertes Verfahren zur Einschätzung krankhafter Gewebeprozesse. Die Hauptanwendung besteht in der Schlaganfalldiagnostik. Zunehmend wird die DWI aber auch zur Detektion und Charakterisierung verschiedenartiger Raumforderungen sowohl im Gehirn als auch extrakraniell eingesetzt. Moderne Sequenztechniken haben dabei zu einer erheblichen Verringerung von Bildartefakten geführt. Mithilfe der DTI kann man darüber hinaus die Faserstruktur des Gewebes rekonstruieren und dreidimensional visualisieren. Die klinische Bedeutung der DTI liegt v. a. in der Darstellung der Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark im Rahmen der Operations- und Bestrahlungsplanung.

Schlüsselwörter

Diffusionsgewichtete Bildgebung Scheinbarer Diffusionskoeffizient Anisotrope Diffusion Diffusionstensor Nervenbahnen 

Basic principles and technique of diffusion-weighted imaging and diffusion tensor imaging

Abstract

Background

Due to their thermal energy, water molecules in tissue are in continuous random motion called diffusion. Water diffusion in pathologically modified tissue (e. g. ischemia, inflammation and neoplasia) is different from normal conditions. Diffusion-weighted magnetic resonance (MR) imaging (DWI) can measure the local strength and main direction of the diffusional motion in any picture element, thus providing diagnostic tissue information exceeding the morphological depiction.

Methods

Diffusion-weighted MR sequences are based on the echo planar imaging (EPI) technique which is very rapid but also susceptible to artefacts. Using especially strong magnetic field gradient pulses the MR signal is sensitized to microscopic motion of water molecules resulting in a unique image contrast in addition to T1 and T2. Local deviations of the diffusion strength from normal values indicate pathological processes. The DWI sequences can measure diffusion along any direction; however, in the clinical routine only directionally averaged DWI images (trace maps) are used. Diffusion tensor imaging (DTI) represents an advanced DWI method which specifically explores diffusional anisotropy in order to obtain additional information about tissue microstructure.

Conclusion

Diffusion-weighted MRI is an established technique for the assessment of pathological processes. Although DWI is mainly applied in stroke diagnostics, it is increasingly being used to detect and characterize various lesions in the brain as well as in the whole body. With new sequence techniques imaging artefacts can be significantly reduced. In addition, DTI allows the reconstruction and 3-dimensional visualization of tissue fibre structure. This method has proven to be clinically important primarily for the depiction of nerve tracts in the brain and spinal cord when planning surgical interventions and radiation therapy.

Keywords

Diffusion weighted imaging Apparent diffusion coefficient Anisotropic diffusion Diffusion tensor Nerve tracts 

Notes

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt

M. Backens gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren.

Literatur

  1. 1.
    Andre JB, Bammer R (2010) Advanced diffusion-weighted magnetic resonance imaging techniques of the human spinal cord. Top Magn Reson Imaging 21:367–378PubMedCentralCrossRefPubMedGoogle Scholar
  2. 2.
    Bammer R (2003) Basic principles of diffusion-weighted imaging. Eur J Radiol 45:169–184CrossRefPubMedGoogle Scholar
  3. 3.
    Basser PJ, Mattiello J, LeBihan D (1994) MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys J 66:259–267PubMedCentralCrossRefPubMedGoogle Scholar
  4. 4.
    Blackledge MD, Leach MO, Collins DJ, Koh DM (2011) Computed diffusion-weighted MR imaging may improve tumor detection. Radiology 261:573–581CrossRefPubMedGoogle Scholar
  5. 5.
    Hartmann M, Heiland S, Sartor K (2002) Funktionelle MR-Verfahren in der Diagnostik intraaxialer Hirntumoren: Perfusions- und Diffusions-Bildgebung. Rofo Fortschr Rontg 174:955–964CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Hodel J, Besson P, Outteryck O et al (2013) Pulse-triggered DTI sequence with reduced FOV and coronal acquisition at 3T for the assessment of the cervical spinal cord in patients with myelitis. AJNR Am J Neuroradiol 34:676–682CrossRefPubMedGoogle Scholar
  7. 7.
    Huisman TAGM, Hawighorst H, Benoit CH, Sorensen AG (2001) Diffusionsgewichtete MRI: Ischämische und traumatische Verletzungen des Zentralnervensystems. Radiologe 41:1038–1047CrossRefPubMedGoogle Scholar
  8. 8.
    Jellison BJ, Field AS, Medow J et al (2004) Diffusion tensor imaging of cerebral white matter: a pictorial review of physics, fiber tract anatomy, and tumor imaging patterns. AJNR Am J Neuroradiol 25:356–369PubMedGoogle Scholar
  9. 9.
    Kalkmann J, Lauenstein T, Stattaus J (2011) Ganzkörperdiffusionsbildgebung in der Onkologie. Technische Aspekte und praktischer Stellenwert. Radiologe 51:215–219CrossRefPubMedGoogle Scholar
  10. 10.
    Khoo MMY, Tyler PA, Saifuddin A, Padhani AR (2011) Diffusion-weighted imaging (DWI) in musculoskeletal MRI: a critical review. Skelet Radiol 40:665–681CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    Koh DM, Blackledge M et al (2012) Whole-body diffusion-weighted MRI: tips, tricks, and pitfalls. Am J Roentgenol 199:252–262CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Kwee TC, Takahara T, Ochiai R et al (2009) Whole-body diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Eur J Radiol 70:409–417CrossRefPubMedGoogle Scholar
  13. 13.
    LeBihan D, Breton E, Lallemand D et al (1986) MR imaging of intravoxel incoherent motions: application to diffusion and perfusion in neurologic disorders. Radiology 161:401–407CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    LeBihan D, Turner R, Douek P, Patronas N (1992) Diffusion MR imaging: clinical applications. Am J Roentgenol 159:591–599CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    LeBihan D, Poupon C et al (2006) Artifacts and pitfalls in diffusion MRI. J Magn Reson Imaging 24:478–488CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    Mori S, van Zijl CM (2002) Fiber tracking: principles and strategies – a technical review. NMR Biomed 15:468–480CrossRefPubMedGoogle Scholar
  17. 17.
    Mori S, Zhang J (2006) Principles of diffusion tensor imaging and its applications to basic neuroscience research. Neuron 51:527–539CrossRefPubMedGoogle Scholar
  18. 18.
    Mukherjee P, Berman JI, Chung SW et al (2008) Diffusion tensor MR imaging and fiber tractography: theoretic underpinnings. AJNR Am J Neuroradiol 29:632–641CrossRefPubMedGoogle Scholar
  19. 19.
    Perman WH, Balci NC, Akduman I, Kuntz E (2009) Magnetic resonance measurement of diffusion in the abdomen. Top Magn Reson Imaging 20:99–104CrossRefPubMedGoogle Scholar
  20. 20.
    Pierpaoli C, Basser PJ (1996) Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy. Magnet Reson Med 36:893–906CrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Porter DA, Heidemann RM (2009) High resolution diffusion-weighted imaging using readout-segmented echo-planar imaging, parallel imaging and a two-dimensional navigator-based reacquisition. Magnet Reson Med 62:468–475CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    Sartor K, Hartmann M, Fiebach J et al (2003) Normale und pathologische Wasserdiffusion im Gehirn. Rofo Fortschr Rontg 175:1317–1329CrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    Stejskal EO, Tanner JE (1965) Spin diffusion measurements – spin echoes in the presence of a time-dependent field gradient. J Chem Phys 42:288–292CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Takahara T, Imai Y, Yamashita T et al (2004) Diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression (DWIBS): technical improvement using free breathing, STIR and high resolution 3D display. Radiat Med 22:275–282PubMedGoogle Scholar
  25. 25.
    Tomczak R, Wunderlich A et al (2003) Der Hirnabszess in der Diffusionswichtung und Unterschiede zum zystischen Hirntumor. Radiologe 43:661–664CrossRefPubMedGoogle Scholar
  26. 26.
    Tsuchiya K, Fujikawa A, Suzuji Y (2005) Diffusion tractography of the cervical spinal cord by using parallel imaging. AJNR Am J Neuroradiol 26:398–400PubMedGoogle Scholar
  27. 27.
    Tuch DS, Reese TG, Wiegell MR et al (2002) High angular resolution diffusion imaging reveals intravoxel white matter fiber heterogeneity. Magnet Reson Med 48:577–582CrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    Vilanova JC, Barcelo J (2008) Diffusion-weighted whole-body MR screening. Eur J Radiol 67:440–447CrossRefPubMedGoogle Scholar
  29. 29.
    Wedeen VJ, Wang RP et al (2008) Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers. NeuroImage 41:1267–1277CrossRefPubMedGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015

Authors and Affiliations

  1. 1.Klinik für Diagnostische und Interventionelle NeuroradiologieUniversitätsklinikum des SaarlandesHomburg/SaarDeutschland

Personalised recommendations