Diffusionsbildgebung

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Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsspital Zürich, Rämistraße 100 , 8091 Zürich, Schweiz

Zusammenfassung

In diffusionsgewichteten Bildern hängt die Signalstärke einer Körperflüssigkeit oder eines Gewebes von der mittleren Distanz ab, über die Wassermoleküle pro Zeiteinheit aufgrund der Wasserselbstdiffusion verschoben werden („diffusion-weighted imaging“, DWI).

Die Verschiebung der Moleküle führt zu einem Signalverlust, der umso größer ist, je schneller sich die Wassermoleküle in der Richtung eines vom MR-Tomographen angelegten Gradientenfelds bewegen. Die Diffusionsrichtung und der Grad der Diffusionsgewichtung des Bildkontrasts kann durch die Wahl der Richtung und der Stärke des Gradientenfelds festgelegt werden.

Das Ausmaß der Verschiebung der Wassermoleküle wird quantitativ mit der Diffusionskonstanten erfasst („apparent diffusion coefficient“, ADC), welche umso größer ist, je weiter sich Moleküle im statistischen Mittel verschieben. Sie ist im Allgemeinen richtungsabhängig. Der beobachtete Wert hängt also davon ab, in welche Richtung das Gradientenfeld angelegt wird.

In Gewebestrukturen, die sich in einem stark diffusionsgewichteten Bild heller von ihrer Umgebung abgrenzen, ist die Wasserdiffusion verlangsamt.

Ursache könnte ein vergrößerter Wasseranteil innerhalb von Zellen sein, im Vergleich zum Wasseranteil im dazwischenliegenden extrazellulären Raum. Ein heller Herd im stark diffusionsgewichteten Bild kann somit ein Hinweis auf eine Zellschwellung (z. B. nach einem Apoplex ) oder auf eine aktive und dichte Neubildung von Zellen (z. B. in einer Metastase) sein. Im Gegensatz hierzu kann erwartet werden, dass sich nekrotisches Gewebe , mit einem vergrößerten Anteil des extrazellulären Raums, im stark diffusionsgewichteten Bild dunkler von gesundem Gewebe abgrenzt.

Mit diffusionsgewichteter Bildgebung lassen sich Auswirkungen eines ischämischen Hirnschlags schon in den ersten Stunden nach dem ersten Auftreten von Symptomen beurteilen – bevor traditionelle, z. B. T2-gewichtete, MR-Bilder signifikante Veränderungen zeigen. In der akuten Phase ist der diffusionsbedingte Signalverlust in den betroffenen Arealen verringert und sie kontrastieren sich in stark diffusionsgewichteten Bildern hell gegenüber vergleichbaren nicht betroffenen Arealen. Im Verlauf von einigen Tagen schwächt sich die positive Kontrastierung ab und kippt in eine negative Kontrastierung, die auf eine vergrößerte Beweglichkeit der Wassermoleküle hindeutet.

Die diffusionsgewichtete Bildgebung ist ein Gebiet intensiver Forschung. Sie liefert Informationen, die mit anderen Methoden nicht oder nur sehr beschränkt gewonnen werden können.

12.1 Wasserselbstdiffusion

In Wasser bewegen sich die Wassermoleküle aufgrund der Brown-Molekularbewegung durcheinander. Ein einzelnes Molekül kann sich dabei mit der Zeit vom Startort fortbewegen oder auch nur am selben Ort hin und her gestoßen werden. Für die Diffusionsbildgebung ist wichtig, welche Strecke die Moleküle im statistischen Mittel absolvieren.

In reinem Wasser, ohne Barrieren wie Zellwände, verschieben sie sich im statistischen Mittel relativ weit und in alle Richtungen gleich weit. Stellt man die mittlere Verschiebungsdistanz pro Zeiteinheit für verschiedene Richtungen graphisch dar, ergibt sich eine Kugel (◘ Abb. 12.1a). Man spricht von einer isotropen Diffusion. Diese Situation wird in Körperflüssigkeiten mit frei beweglichen Wassermolekülen angetroffen, etwa im Liquor der Hirnventrikel, in der Gallenblase oder in niederviskösen Zysten. Hier ist die Diffusionskonstante vergleichsweise hoch (im Bereich von 3,0•10^–9m²•s^–1) und in alle Richtungen gleich. Der relative Signalverlust in diffusionsgewichteten Bildern ist somit ebenfalls groß.