Difüzyon Tensör Manyetik Rezonans Görüntüleme

Son yıllarda deneysel çalışmalar sayesinde beynin immünokimyasal mekanizmaları spesifik nöropatolojik biyokimyasal testler ve sofistike teknikler geliştirilmiştir. Bu teknikler, difüzyon ağırlıklı görüntüleme, NMRG, DTMRG ve manyetik rezonans spektroskopi (MRS) olarak sıralanabilir (86).

Difüzyon tensör manyetik rezonans görüntüleme, su moleküllerin difüzyonu ile beyindeki nöronal liflerin yapısını gösteren yeni bir tekniktir (87). Difüzyon, moleküllerin belirli bir zamanda rastgele ve ışınsal hareketini tanımlar (88). Su molekülleri uzay boşluğunda her yöne yayılım gösterir. ‘İzotropik yayılım’ olarak da adlandırılan bu durumda su molekülleri, herhangi bir yöne eşit olarak yayılım gösterecektir. Bunun yanında yapısal bir boşlukta, su moleküllerinin difüzyonu bazı bölgelerde zoraki bir yöne olacaktır. Örnek olarak, beyin dokusunda su molekülleri akson duvarını geçmektense akson boyunca daha serbest bir şekilde yayılacaktır (88, 89). ‘Anizotropik yayılım’ olarak adlandırılan bu durumda su molekülleri her yöne eşit olarak yayılmayıp bazı yönlere daha fazla yayılım gösterecektir. Yeterince izotropik ve sabit sıcaklıkta difüzyon denklemle belirlenebilir (88).

r²= 6Dt

Bu denklemde ‘r’ ‘Gaussian rastgele değişkenini’ ifade eder; belirli bir zamanda (t) ve belirli bir difüzyon katsayısında (D) su moleküllerinin yer değişmesini tanımlar. Bunun yanında in vivo difüzyonda, aktif transport ve fizyolojik basınç farklılıklarına bağlı oluşan değişiklikler ayırt edilemez. Bu yüzden difüzyon katsayısına ‘görünen difüzyon katsayısı [ apparent diffusion coefficient (ADC) ]’ denilir. Görünen difüzyon katsayısı değeri aşağıda belirtilen denklemde değerlendirilir (88).

D= -

Bu denklemde ‘S ve S0’ difüzyon ağırlıklı görüntülemede sinyal yoğunluğu değerlerini ifade eder ve ‘D’ , ADC değerini ifade eder ve voksel

24

(pikselin üç boyutlu karşılığı) ile hesaplanır. Denklemdeki ‘ b’ değeri ise ‘difüzyon ağırlıklı değişken’ olarak adlandırılır (88).

Beyaz cevherde ADC değeri, su moleküllerinin gradientinin yönüne bağlıdır. Beyaz cevherin nöronal liflerden zengin oluşu, hücresel elemanlardan dolayı anizotropik sinyal olağan olarak beklenilir. Bunun yanında nöronal liflerin oluşturduğu rotasyonel değişiklikler nedeniyle beyaz cevherde tek bir yöne gradient oluşması beklenmez. Bu yüzden difüzyon tensör, en az altı gradient yönü belirler (88).

D=

Dxx Dxy Dxz

Dyx Dyy Dyz

Dzx Dzy Dzz

Bu denklemde tensörün köşegen elemanları ( Dxx, Dyy, Dzz ) tarayıcı eksenine dik açılı olarak difüze olurlar. İzotropik difüzyonda belirli bir zamanda suyun değişikliği küre şeklinde modellenir. Buna zıt olarak anizotropik yayılımda en büyük yayılımın olduğu eksen şekil değişikliğine yol açarak elipsoid oluşumuna yol açar. Bu elipsoid içerisindeki tüm eksenler, yönsel ve sayısal olarak ayrılabilir. Bir eksendeki ortalama difüzyon mesafesi sayısal önemine göre ‘vektör’ olarak adlandırılır. En uzun, orta ve kısa eksenler ʎ1, ʎ2 , ʎ3 vektörler olarak adlandırılır. Bu üç yöndeki ortalama

difüzyon değeri ‘ total ADC ya da ortalama difüzyon’ olarak adlandırılır. Ana eksendeki difüzyona ‘aksiyal difüzyon ( ʎ1 )’, ortalama ʎ2 ve ʎ3‘dekine ise

‘radyal difüzyon’ denilir. Fraksiyonel anizotropi (FA), tensörün elipsoid derecesine göre vektörün izotropik ya da anizotropik olacağını hesaplar (Şekil 6) (88).

25

Şekil 6: Beyindeki izotropik ve anizotropik yayılım. (a) Prematüre olarak doğan

olgunun farklı beyin bölgelerindeki FA görüntülenmesi ve suyun difüzyonu. (b) Kırmızı ile gösterilen beyaz cevherdeki korpus kallozumda difüzyon akson boyunca olup anizotropik yayılım ile sonuçlanmıştır. (c) Ventrikül içindeki BOS (yeşil renkte) sınırlandırılmadan izotropik yayılım göstermiştir. Şekil b ve c’de izotropik ve anizotropik yayılım görülmektedir. Her tensör üç vektör değerleri ile belirtilmektedir (ʎ1, ʎ2 , ʎ3). İzotropik yayılımda ʎ1 = ʎ2 = ʎ3 iken, anizotropik yayılımda ʎ1 > ʎ2 > ʎ3 olarak şekillenir.

*Pandit AS, Ball G. Et al. Diffusion magnetic resonance imaging in preterm brain injury. Neuroradiology 2013; 55: 65-95.

Beyaz cevherde FA’yi, hücresel yapıların su moleküllerinin difüzyonunu sınırlaması ile en büyük katkıyı aksonun kendisinin sağladığı düşünülmektedir ve FA hesaplanarak beyaz cevherdeki matürasyon ve hasarlanma hakkında fikir elde edilebilir (89, 90). Song ve ark.’nın (80) yapmış oldukları bir deneyde, demiyelinizasyon oluşturulmuş fareler, normal miyeline sahip farelerle kıyaslandığında, demiyelinize olmuş farelerde %20 kadar FA değer kaybı bulunmuştur. Bu da miyelinizasyonun FA değerine katkıda bulunduğunu göstermektedir. Kortikospinal liflerde birbirine paralel seyreden akson lifleri nedeniyle difüzyon tensör oldukça anizotropik olacak ve ana vektörde liflerle aynı yönde olacaktır. Bu yüzden DTMRG beyaz cevherde spesifik büyük nöronal liflerin yapısını göstermede oldukça değerli bir tekniktir (92).

26

Şekil 7: Fraksiyonel anizotropi (FA) hesaplanması

Fraksiyonel anizotropi değeri, sıfırdan (oldukça izotropik) bire (oldukça anizotropik) kadar değişir (87). Şekil 7’de FA hesaplanması sunulmuştur. Tensör modelinde difüzyonun birçok yönü olmasına karşın en sık kullanılan tek bir yön değerini verir. Bu teknik ile Gaussian olmayan difüzyon değeri ve karmaşık nöronal liflerin anizotropik değeri verilemez. Difüzyonun nörobiyolojik durumla ilişkisi karmaşıktır. ADC değeri yaş ile giderek azalmakta, erişkin dönemde stabil olmakta ve yaşlılıkta ise artmaktadır. Bunun sebebi, gelişimsel olarak su kaybının olması, ekstrasellüler sıvının yaş ile azalması ve miyelin gibi makromoleküllerin giderek artması olabilir. Yaşlılıkta ADC değerinin artması ise miyelin kaybı, aksonal bağlantıların kaybı ve ekstrasellüler sıvının artışıdır (Resim 3) (88).

Resim 3: Transversal fraksiyonel anizotropi haritası (a), renkli tensör haritası (b) ve

bazal nükleusların görüntülenmiş hali (c). (1) Korpus kallozumun genu. (2) Korpus kallozum splenium kısmı. (3) İnternal kapsül anterior kısmı. (4) İnternal kapsülün posterior kısmı. (5) Eksternal kapsül.

*Qiu MG, Zhang J, Zhang Y, et al. Diffusion Tensor Imaging-Based Research on Human White Matter Anatomy. The Scientific World Journal 2012; 5: 30-43.

Difüzyon tensör manyetik rezonans görüntülemede birçok analiz yöntemi bulunmaktadır. Tüm analiz yöntemlerinin ortak özelliği kıyaslama

27

yapılarak sonuçların doğruluğunu garanti almaya dayanmasıdır (çalışılan bölgeler anatomik olarak aynı bölgeleri içerir). Tensör yöntemleri tek, iyi tanımlanmış bölgeleri ya da nöronal lifleri ve beyaz cevherden karşı hemisfere giden lifleri inceleyebilir. Bu değerlendirmeler ‘region of interest (ROİ), voksele dayalı morphometri, tract-based spatial statistics (TBSS) ve difüzyon traktografi’ kullanılarak yapılır (88).

‘Region of interest’ yönteminde spesifik anatomik alanlardaki olası bölgeler kıyaslanarak yapılır. Bölgeler genellikle uzmanı tarafından manuel olarak belirtilir. Diğer yöntemlerin kıyaslamasında altın standart olarak kullanılır. Bu yöntem yaygın ve karmaşık kıyaslama gerekmeyen sınırlı alanlarda kullanılabilir. Manual olarak değerlendirme de fazla vakit harcamaya yol açar. Ayrıca prematüre olguların değerlendirmesi de zordur (88).

Voksele dayalı morphometri, beyaz cevherin yaygın olarak değerlendirmesini sağlayan bir tekniktir. Olgulardaki homojen vektörler kıyaslanarak difüzyon parametreleri oluşturulur. Bu yöntemde görüntüler bölümlere ayrılır ve gri cevher gibi etkilenme olmaması için bir eşik değeri belirtilir. Ayrıca bir vektöre en yakın komşu vektörlerin ortalaması alınarak bir düzeltme işlemi yapılır. İstatistiksel analiz voksel bazlı olarak yapılır ve beyaz cevherde lokal değişiklikler tanınır. Diğer yöntemlere üstün yanı, olası bir bölge ya da liflerden söz etmemesidir. Otomatik olarak yapılabilir ve kısa zamanda sonuç verir. Fakat bu yöntem artefaklardan oldukça etkilenir ve yapılan düzeltmelerin standart olmaması bu yöntemin eksik yönleridir (88).

‘Tract-based spatial statistics’ yöntemi ise voksele dayalı morphometri yöntemine bazı yönleri ile benzeyen bir tekniktir. Beyaz cevherden geçen vektörler arasındaki farklılıklar ele alınır ve FA görüntüleri boşlukta grup olarak hizalanır. Nöronal lifler voksel olarak belirtilir ve beyaz cevher iskeleti oluşturulur. Bireyler arasındaki yüksek farklı FA ve düşük FA değeri olan bölümler çıkarılarak bu iskelet oluşturulur. Fraksiyonel anizotropi iskeletinde belirli bir doğrultuda giden nöronal liflerin merkezinde, FA değeri en yüksek seviyeye ulaşır. Daha sonra bu iskelet bölümlerinde voksel bazlı değerlendirme yapılarak sonuç verilir (Şekil 8) (88).

28

Şekil 8: Tract-based spatial statistics ile FA haritasının oluşturulması

(a) Fraksiyonel anizotropi iskeletinde beyaz cevher lifleri inceltilmiştir. (b) Beyaz cevher topolojisi katman ya da tüp şeklinde belirtilmiş olup, liflerin merkezinde vokselleri içerir. (c) Yanlış kaydı önlemek amacıyla, haritalar üzerindeki iskelete özgün FA değerleri yansıtılır.

*Pandit AS, Ball G. Diffusion magnetic resonance imaging in preterm brain injury. Neuroradiology 2013; 55: 65-95.

‘Tract-based spatial statistics’ voksele dayalı morphometriye göre daha avantajlı bir tekniktir. Voksellerden hesaplanan FA değerleri daha az değişkenlik içerir ve daha güvenilirdir. Tüm beyaz cevher yerine daha belirli bir alanda çalışılan vokseller istatistiksel anlamda daha başarı sonuçlar verir. Belirgin sinyal değişikliği olan beyaz cevher bölümünde ilk çalışılması gereken yöntemdir. Bu teknik majör nöronal liflerle kısıtlı olarak çalışır (88).

Difüzyon traktografi, beyaz cevher liflerinin belirli bir yörüngede tahmini olarak görüntülenmesini sağlayan tekniktir (89). Traktografide bir başlangıç bölümü bulunur ve hedef bölüme kadar voksellerden kopya çıkarılması sağlanır. Traktografi iki yöntem ile yapılır. ‘Belirleyici traktografide’ başlangıç ve bitiş noktaları arasında her bir voksel hesaplanarak majör vektör yönüne doğru çizim yapılmasıdır. Bu hat, FA değeri en alt seviyeye geldiğinde sonlanır. Bu yöntem ile nöronal liflerin yerleşimi daha kesin bir şekilde yapılır. Çaprazlaşan lifler varlığı ve nöronal liflerin yöneliminin net olmadığı durumlar da bu tekniğin kısıtlılığını oluşturur. ‘Olası traktografide’ ise nöronal liflerin yöneliminin net olmadığı durumlarda da kullanılır. Bu yöntemde her bir voksel hesaplanarak olası nöronal liflerin yönü hesaplanır. Traktografi ile bireysel nöronal lifler arasındaki farklılıklar kıyaslanabilir. Ayrıca nöronal liflerin tamamında ya da bir

29

bölümünde difüzyon parametreleri hesaplanabilir. Tahmini nöronal liflerin volümü ve sonlandığı bölümler belirtilebilir (Resim 4, 5) (88).

Resim 4: Traktografi ile sensörimotor liflerin görünümü. Traktografi 3 boyutlu olarak

görülmektedir. On dört aylık kız olgunun beyaz cevherinde hasarlanma yoktur.Motor lifler mor, duyu lifleri yeşil renkte görülmektedir.

*Mukarami A, Morimoto M, et al. Fiber-Tracking techniques can predict the degree of neurologic impairment for periventricular Leukomalacia. Pediatrics 2008; 122; 500-8.

Resim 5: (A) İki yaşında sağ hemiparezili kız olgunun DTMRG görüntüsü. Koronal

kesitte FA değerinde anizotropinin fokal kaybı gözükmektedir. (B) Aynı hastanın traktografi görüntüsü. Lezyon tarafındaki kortikospinal yollardaki kesinti görülmektedir.

30

Yapılan birçok çalışmada, DTMRG’nin gelişmekte olan beyin dokusunda beyaz cevher hasarlanmasında ve nörolojik anormalliği tahmininde konvansiyonel yöntemlere üstün olduğu kanıtlanmıştır (51, 85, 89, 90, 93, 94).

Difüzyon tensör manyetik rezonans görüntüleme anormalliği ile nörogelişimsel nihai sonuç birbiriyle uyumlu olmaktadır. Bu yöntem ile normal beyaz cevher yapısını görmenin yanı sıra akut ve kronik değişikliklerin de görülmesi konvansiyonel tekniklere olan bir üstünlük olarak yorumlanabilir (85). Traktografi ve DTMRG’nin keşfi ile in vivo olarak beynin bağlantılarının ve aksonal liflerinin yörüngelerinin görüntülenmesi mümkün olmuştur (95). Ayrıca duyu ve motor liflerin ayrıntılı görüntülenmesi ile PVL’nin klinik etkilenmesi hakkında daha fazla bilgi vermekte ve optik radyasyon hakkında ayrıntılı bir değerlendirme sunmaktadır (89, 96). Bu yöntemlerin gelişmesi ile kortikospinal yolların preoperatif değerlendirilmesi artacak ve operasyonlara bağlı komplikasyon ihtimali azalacaktır (95).

Difüzyon tensör manyetik rezonans görüntüleme, erişkinlerde birçok hastalığın teşhisinde yararlı olsa da çocuklarda uygulanması zordur (89). Beynin daha küçük olması, hızlı miyelinizasyon, artefaklar buna yol açan nedenlerdir (89). Yenidoğan döneminde de FA değerlerinin beyaz cevherde az oluşu nedeniyle değerlendirilmesi zordur (97). Akson ve miyelinin anizotropiye katkısına rağmen her ikisinden birinde meydana gelen hasar DTMRG’de ayırt edilememektedir (97).

Difüzyon anizotropi teorik olarak mikroskobik anatomiyi değerlendirirken, DTMRG tekniği makroskopik bir değer vermektedir (tipik olarak bir vektör 2-3 mm boyutundadır). Bu yüzden değerlendirilmenin dikkatli yapılması gerekmektedir (98). Diğer bir hususta çaprazlaşan nöronal liflerin değerlendirilmesidir; FA değerini arttıran bir vektör, akson ya da miyelin yapısında bozulma olmadan, sadece farklı uzaysal dağılımı olan nöronal liflerden kaynaklanmış olabilir. Beyaz cevherde hesaplanan vektörlerin tahminen %90’ı çaprazlaşan nöronal liflerden oluşmaktadır ve bu yüzden traktografi ve anizotropi değerlerine önemli ölçüde etkilerler (99).

31

Difüzyon tensör manyetik rezonans görüntüleme ile yalnızca çok homojen ve büyük nöronal lif demetleri gösterilebilir. Hesaplanan bir vektörden küçük olan nöronal lifler teknik olarak görülemezler (100). Manyetik rezonans görüntüleme cihazının çözünürlüğü de diğer bir etkendir. Tek bir vektörde çoklu nöronal liflerin hesaplanması zordur. Bunun dışında çekim esnasında meydana gelebilecek bir artefakta yanlış sonuçlara yol açabilir (101).