Η διαγνωστική αξία των τεχνικών διάχυσης στην απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό, για την μελέτη των όγκων του εγκεφάλου

Abstract

Timely and reliable diagnosis of oncological pathologies of the Central Nervous System is a necessary requirement for taking appropriate and efficient treatment decisions. Magnetic Resonance Imaging is a widely applied imaging technique for diagnosis of brain tumours. Most Magnetic Resonance Imaging pulse sequences produce images based on T1 and T2 relaxation times, which create the necessary contrast on acquired images.Apart from common T1 and T2 pulse sequences, modern Magnetic Resonance Imaging techniques can create image contrast based on functional properties of human tissue. Those reflect functions like diffusion of water, oxygen uptake, or changes in metabolite concentration. Those modern techniques produce images based on mathematical variables which quantify those phenomena. One of them is Diffusion Weighted Imaging (DWI), which is part of common Magnetic Resonance Imaging protocols for the diagnosis and grading of brain tumours.Diffusion Weighted Imaging is applied with the addition of diffusion weighting to a T2 pulse sequence, which causes the signal to drop in the presence of water diffusion. This signal drop is expressed by a scalar variable, the Apparent Diffusion Coefficient (ADC). For Diffusion Weighted Imaging, diffusion of water assumed to be isotropic, and of the same velocity towards all directions. Diffusion imaging can overcome limitations of traditional-type Magnetic Resonance Imaging, and image smaller structures which wouldn’t otherwise be visible, through their effects of water diffusion. Water diffusion in human tissue is hindered by membranes, cytoskeletons, and macromolecules. In the Central Nervous System, diffusion is also hindered by the neural axons, and the surrounding myeline sheath. The exact mechanisms through which those mechanisms obstruct diffusion of water are still a matter of research.As a result of the obstructions described above, water diffusion is not isotropic, but can present a preferential direction during its movement, characterised by faster diffusion. Consequently, using a scalar variable like the Apparent Diffusion Coefficient is not an accurate consideration for the quantification of water diffusion in human tissue.In order to achieve a more detailed analysis of the phenomenon of diffusion in the Central Nervous System, usage of more advanced diffusion imaging techniques was pursued, and, particularly, Diffusion Tensor Imaging (DTI), which analyses water diffusion in three perpendicular axes of movement. Thus, apart from the scalar diffusion coefficient, we were able to study anisotropy of diffusion in patients with tumours of the Central Nervous System. Correlation of diffusion properties with the type and grade of tumours was examined, as well as their possible contribution to diagnosis.

Η έγκαιρη και έγκυρη διάγνωση των ογκολογικών παθολογιών του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την εύστοχη επιλογή του βέλτιστου θεραπευτικού σχήματος. Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού είναι ευρέως αποδεκτή μέθοδος για τη διάγνωση των όγκων του εγκεφάλου. Οι περισσότερες ακολουθίες Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού βασίζονται στους χρόνους αποκατάστασης Τ1 και Τ2, βάσει των οποίων δημιουργείται η απαραίτητη αντίθεση στις παραγόμενες εικόνες.Πέραν των κοινών ακολουθιών Τ1 και Τ2, σύγχρονες μέθοδοι δημιουργίας αντίθεσης στις εικόνες μαγνητικής τομογραφίας αποτελούν και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ανθρωπίνου ιστού. Αυτά αντικατοπτρίζουν λειτουργίες όπως η διάχυση του ύδατος, η πρόσληψη οξυγόνου, καθώς και η μεταβολή συγκέντρωσης μεταβολιτών. Οι σύγχρονες αυτές μέθοδοι αποδίδουν εικόνες με βάση μαθηματικές μεταβλητές που ποσοτικοποιούν τα φαινόμενα αυτά. Μία από αυτές είναι η απεικόνιση διάχυσης (Diffusion Weighted Imaging – DWI), η οποία αποτελεί μέρος των συνήθων πρωτοκόλλων εξέτασης για τη διάγνωση και τη διαβάθμιση της κακοήθειας των όγκων του εγκεφάλου. Η απεικόνιση διάχυσης εφαρμόζεται εισάγοντας μια διαχυτική επιβάρυνση σε ακολουθίες με επιβάρυνση Τ2, στις οποίες η διάχυση του ύδατος στον ιστό προκαλεί μείωση του ληφθέντος σήματος. Η μείωση της έντασης του σήματος που αποδίδεται στη διάχυση του ύδατος θεωρείται πως εκφράζεται με ένα μονόμετρο μέγεθος, τον Φαινομενικό Συντελεστή Διάχυσης (Apparent Diffusion Coefficient – ADC). Κατά την απεικόνιση διάχυσης, η διάχυση του ύδατος θεωρείται ισοτροπική, δηλαδή ίσης ταχύτητας προς όλες τις διευθύνσεις. Η απεικόνιση διάχυσης μπορεί να ξεπεράσει τα όρια της παραδοσιακού τύπου μαγνητικής τομογραφίας, και να προσφέρει πληροφορίες για μικρότερες δομές, που αλλιώς δεν είναι ορατές, μέσω της επίδρασης που προκαλεί η παρουσία τους στη διάχυση του ύδατος. Στον ανθρώπινο ιστό η διάχυση του ύδατος παρεμποδίζεται από παράγοντες όπως οι μεμβράνες, ο κυτταρικός σκελετός και τα μακρομόρια. Στο Κεντρικό Νευρικό Σύστημα, η διάχυση παρεμποδίζεται και από τους νευράξονες, και από τη μυελίνη που τους περιβάλλει. Ο ακριβής μηχανισμός κατά τον οποίο η ύπαρξη των διαφόρων αυτών δομών παρεμποδίζει την ελεύθερη διάχυση του ύδατος στον ιστό αποτελεί αντικείμενο έρευνας.Ως αποτέλεσμα των προαναφερθέντων περιορισμών, η διάχυση του ύδατος δεν είναι ισοτροπική, αλλά δύναται να παρουσιάζει προτιμητέα διεύθυνση, κατά την οποία διαχέεται ταχύτερα. Συνεπώς, η χρήση ενός μονόμετρου μεγέθους, όπως ο Φαινομενικός Συντελεστής Διάχυσης, δεν αποτελεί ακριβή παραδοχή για την ποσοτικοποίηση του φαινομένου της διάχυσης στον ανθρώπινο ιστό. Προκειμένου να επιτευχθεί ακριβέστερη μελέτη του φαινομένου, εξετάστηκε η χρήση πιο προηγμένων τεχνικών διάχυσης, και συγκεκριμένα η απεικόνιση τανυστή διάχυσης, η οποία προσφέρει τη δυνατότητα ανάλυσης της διάχυσης σε τρεις κάθετες διευθύνσεις. Έτσι, πέραν του μονόμετρου συντελεστή της διάχυσης, έγινε δυνατή και η μελέτη της ανισοτροπίας της σε ασθενείς με όγκους του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος. Ακολούθως, εξετάστηκε η πιθανή συσχέτιση των χαρακτηριστικών της διάχυσης με τον τύπο και τη διαβάθμιση της κακοήθειας του όγκου, καθώς και η πιθανή συνεισφορά τους στη διάγνωση.