• Diffusion - Radiologie - Thieme Verlag

     

Diffusionsbildgebung: Technik und klinische Anwendung

Während die Diffusionsbildgebung früher überwiegend zur Diagnostik der zerebralen Ischämie eingesetzt wurde, hat sie mittlerweile ein breites Indikationsspektrum in der MRT-Diagnostik. Insbesondere die onkologische Bildgebung, zunehmend aber auch entzündliche Erkrankungen gehören mittlerweile zu den Haupteinsatzgebieten.

Diffusion - Was ist Diffusion?

Die Diffusion ist die gegenseitige Durchdringung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern durch die Relativbewegung der jeweils enthaltenen Teilchen. Die bekannteste Wirkung der Diffusion ist die Vermischung verschiedener Gase oder Flüssigkeiten unter Abbau eines Konzentrationsgradienten in einem geschlossenen System. Auch im thermodynamischen Gleichgewicht, in dem es keinen Netto-Fluss gibt, führen die Teilchen aufgrund ihrer thermischen Energie ungerichtete Zufallsbewegungen aus, die auch Brown’sche Molekularbewegung genannt werden. Die Teilchenbewegung in einer Substanz ohne Konzentrationsgefälle bezeichnet man auch als Selbstdiffusion.


Isotrope Diffusion

Für uneingeschränkte Beweglichkeit der Moleküle (isotrope Diffusion) besteht nach dem Fick-Gesetz ein linearer Zusammenhang zwischen dem Mittelwert des Quadrats der Teilchenverschiebung x(t) nach gegebener Zeit t und dem Diffusionskoeffizienten D (D hängt von Faktoren wie z. B. Druck, Temperatur und den beteiligten Substanzen ab):

[x(t)2] = 2dDt

wobei d die Dimension des Systems ist. Die Verteilung der Moleküle folgt dabei einer Gauß-Normalverteilung.


Diffusion im menschlichen Körper

Der menschliche Körper besteht zum Großteil aus Wasser. Die Wassermoleküle im menschlichen Körper diffundieren jedoch nur teilweise frei. Zum einen werden sie durch Körperbestandteile wie Zellmembranen oder Makromoleküle an der ungestörten Diffusion gehindert, zum anderen werden Moleküle in Blut- oder Lymphgefäßen mit unterschiedlich hohen Geschwindigkeiten transportiert. Wenn der Diffusion Barrieren entgegenstehen, wird die Bewegung der Teilchen zu einem gewissen Grad eingeschränkt. Es ist dann nicht mehr von einer Gauß-Normalverteilung auszugehen. Der Grad der Abweichung von der Normalverteilung wird durch die Diffusionskurtosis quantifiziert.


Anisotrope Diffusion

Im Extremfall von gerichtet organisierten Geweben (z. B. Nervenbahnen) ist Diffusion praktisch nur entlang dieser Strukturen möglich und damit ebenfalls gerichtet (anisotrope Diffusion). In diesem Fall hängt D von der Raumrichtung ab, in der gemessen wird. Die Richtungsabhängigkeit der Diffusion wird mathematisch mit dem Diffusionstensormodell beschrieben. Durch Messung der Diffusion in mindestens 6 Raumrichtungen ist es möglich, die Richtung und Größe der kleinsten, mittleren und größten Diffusion zu ermitteln und darüber hinaus die mittlere Diffusivität (MD) sowie das Ausmaß der Anisotropie des Gewebes (fraktionelle Anisotropie, FA) zu bestimmen. Diese Parameter finden Anwendung in der Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI).

Für biologische Gewebe liegt die mittlere Diffusivität bei 1 μm2/ms. Für eine Diffusionszeit von z. B. 50 ms liegt die mittlere zurückgelegte Strecke eines Moleküls damit in der Größenordnung von zellulären Strukturen. Es ist daher möglich, über die Messung entsprechender Diffusionseffekte Informationen über die Architektur des untersuchten Gewebes zu erhalten.

Lesen Sie den gesamten Beitrag hier: Diffusionsbildgebung: Technik und klinische Anwendung

Aus der Zeitschrift Radiologie up2date 01/2017


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