Abstract
Diffusjonstensor avbildning (DTI) er et relativt anerkjent men nytt verktøy innen MRI. DTI er følsom for strukturelle egenskaper i vev som ikke er målbar med konvensjonelle MR-teknikker. Teknikken gjør det mulig å måle vanndiffusjon i det tredimensjonale rommet ved hjelp av magnetiske diffusjonsgradienter, og kan blant annet brukes til å beregne utbredelsen av nervefibre i hjernen. Vanndiffusjonen karakteriseres ved en diffusjonstensor som definerer størrelse og retning på diffusjonen. Presisjonen i beregningen av tensoren er avhengig av distribusjonen av og antall gradienter som benyttes i opptaket, graden av diffusjonsvekting og antall signaler som midles.
Problemstillingen for denne oppgaven var å definere optimale DTI-protokoller for en 3T magnet. Dette ble gjennomført ved evaluering av ulike verdier og kombinasjoner av diffusjonsparametre som gir best estimering av diffusjonstensor.
DTI-parametrene som ble sammenliknet var som følger:
-Antall gradienter diffusjonsgradienter (Ng).
-Grad av diffusjonsvekting b-verdi.
-Antall midlede signaler NSA.
En forutsetning for god presisjon i estimert diffusjonstensor, er en homogen distribusjon av gradientene benyttet i et opptak.
For å kunne gjøre en direkte sammenlikning mellom opptak gjort med ulikt antall diffusjonsgradienter ble det utviklet et gradientsett som kan reduseres til nye gradientsett og samtidig beholde en homogen distribusjon.
Evalueringen av diffusjonstensor ble gjennomført for en ordinær diffusjonsprotokoll, samt gjennom en simulering. Kvaliteten på estimert diffusjonstensor ble evaluert gjennom beregningen av ulike diffusjonsparametrene; fraksjonell anisotropi (FA) og gjennomsnittlig diffusivitet (MD). Ved simuleringens resultater ble i tillegg diffusjonstensorens egenverdier og egenvektorer evaluert. Det ble også gjennomført traktografi og estimering av kryssende nervefibre per voksel for én diffusjonsvekting (b=750s/mm^2), samt en blindtest av en nevroradiolog på DTI-opptakene.
8 friske individer (snittalder 26.5+/-1.3, 5 menn og 3 kvinner) gjennomgikk en ordinær diffusjonsprotokoll med \ngrad = 127 og diffusjonsvektingene b=1500s/mm^2og b=750s/mm^2. Basert på disse opptakene ble det dannet 5 nye gradientsett med \ngrad = 15, 28, 43, 84 og 112, samt diffusjonsvektingene b=1500s/mm^2 + b=750s/mm^2 og b=1500s/mm^2 + b=1500s/mm^2. FA og MD ble generert for hvert individ og for de ulike kombinasjonene av diffusjonsvekting og \ngrad. Videre ble antall voksler med to kryssende fibre estimert for hvert datasett med diffusjonsvektingen b=750s/mm^2 og sammenliknet for ulike \ngrad. En blindtest av en nevroradiolog ble utført på FA-kartene med de fire gradientsettene Ng = 15, 28, 43 og 127 ved diffusjonsvektingen b=750s/mm^2 og for Ng = 43 for diffusjonsvektingen b=1500s/mm^2 + b=750s/mm^2. Til sist ble det gjennomført traktografi på ett DTI-opptak for diffusjonsvektingen b=750s/mm^2 og sammenliknet for ulike Ng.
I simuleringen ble diffusjonstensor estimert for de 6 ulike gradientsettene basert på et signal med normalfordelt støy fra en kjent tensor. Diffusjonsvektingene i oppsettet var bd=1 og bd=2 der $d$ var en skaleringsfaktor med enheten mm^2/s.
FA, MD, samt egenverdier og relativ feil i beregningen av egenvektorene ble evaluert.
Resultatene viste at anisotrop FA kun var marginalt følsom for en økning i Ng eller NSA, mens MD ikke viste følsomhet. Lav FA, spesielt i gråsubstans viste en større følsomhet for både \ngrad og NSA og en økning gav bedre estimerte verdier. Den største forbedringen var for maksimalt Ng = 43. Både FA og MD viste følsomhet for diffusjonsvekting og b=1500s/mm^2 er trolig en for stor vekting slik at signalattenuasjonen er betydelig påvirket av støynivå.
Økt Ng så vel som økt NSA gav en bedre estimering av fiberorienteringen i diffusjonstensor. Dette kom frem under resultater av estimering av kryssende fibre og gjennomføringen av traktografi samt for beregningen av egenvektorer i simuleringen. Det fremgikk fra resultatene at et minimum på Ng = 84 gir best orientering av diffusjonstensor. Økt diffusjonsvekting gir trolig også en bedre estimering av fiberorienteringen, såfremt vektingen ikke gir signalattenuasjon i nærheten av støynivå.
Basert på funnene i prosjektet kunne det formuleres to forslag til optimale diffusjons protokoller;
En optimal diffusjonsprotokoll der hensikten er å beregne anisotropi og diffusivitet i hjernen, gir Ng = 43 et robust estimat av disse parametrene. Ettersom det kun er små forbedringer vil Ng = 15 gi en god nok estimering av disse parametrene dersom kort opptakstid er essensielt. Økt Ng kan også erstattes med økt NSA. Diffusjonsvektingen b=750s/mm^2 er tilstrekkelig for korrekt estimert FA og MD.
For en diffusjonsprotokoll som skal benyttes til traktografi, vil Ng = 84 gi best estimering av fiberorientering. Et gradientsett på Ng = 43 gir imidlertid en tilstrekkelig beregning av fiberorientering dersom kort opptakstid er hensiktsmessig. Også for dette oppsettet kan en økning i Ng erstattes med økt NSA. Økt diffusjonsvekting over b=750s/mm^2 gir bedre forutsetning for robust estimering av fiberorientering. I prosjektet ble denne vektingen sammenliknet med b=1500s/mm^2 som gir en for kraftig signalattenuasjon og gir rom for feilestimering av orienteringen. Vektingen bør derfor være lavere enn denne.