A ressonância magnética de difusão surgiu nos anos 80 com o intuito de permitir estudos funcionais do cérebro, baseando-se na ideia que esta poderia ser utilizada para avaliar o fluxo de sangue no cérebro. No entanto, tem-se tornado um standard para avaliar distúrbios na substância branca, avaliar vitimas de acidentes vasculares cerebrais e criar mapas de ligações cerebrais (Le Bihan D. , 2011).
A Imagem por Tensor de Difusão (DTI-Diffusion Tensor Imaging) baseia-se no principio de difusão das moléculas de água, um movimento aleatório que em condições normais, e na ausência de factores limitadores, ocorre de forma uniforme em todas as direções (isotrópico). Quando este movimento não é uniforme em todas as direções, devido, por exemplo, à presença de obstáculos à difusão, diz-se anisotrópico.
Uma imagem de DTI irá refletir, em cada vóxel, informação sobre a distribuição de deslocamento das moléculas de água, permitindo extrapolar a organização de tecidos e estruturas. In vivo, esta difusão foi observada como anisotrópica nos músculos, na medula espinhal e na substância branca cerebral. Nesta última, a difusão é notoriamente mais rápida na direção das fibras axonais que se organizam de forma paralela (Le Bihan & Breton, 1985). 2.2.2.1 Aquisição e pré-processamento
Na presença de um campo magnético com gradiente, a movimentação das moléculas de água origina o desfasamento do sinal de RM, produzindo uma atenuação A, caracterizada pela equação 2.7, que é proporcional à magnitude da difusão da água na direção do gradiente aplicado (Le Bihan, et al., 2001; Makris, et al., 2002). b caracteriza o gradiente de pulsos e D é um tensor simétrico 3x3 que descreve a difusão nas várias direções.
𝐴 = 𝑒𝑥𝑝 (−𝑏𝐷) Equação 2.7
Para a construção da imagem de DTI são necessárias, pelo menos, imagens do efeito de difusão ao longo de seis direções diferentes, em relação a um sistema de eixos. São utilizadas no mínimo as orientações dos eixos x, y e z, tal como xy, xz e yz. Embora o valor mínimo obrigatório seja 6, é comum serem utilizadas pelo menos 30 direções diferentes para
melhorar a caracterização do tensor (Makris, et al., 2002; Soares, Marques, Alves, & Sousa, 2013). Em conjunto com estas é também utilizada uma imagem base sem qualquer informação de difusão (b=0). Das imagens ponderadas serão calculados os diferentes componentes do tensor de difusão Dij. Com o tensor de difusão poderão ser calculadas a
anisotropia fraccional, a difusividade média e a direção de difusão para cada vóxel, obtida pela diagonalização do tensor de difusão e representadas pelos vectores (e1, e2 e e3) e valores
próprios (λ1, λ2 e λ3) que irão corresponder ás direções e magnitudes principais de difusão,
respectivamente. Para a representação visual da informação do tensor para cada vóxel são utilizadas elipsoides, que representam a distância percorrida por difusão em cada uma das direções, sendo o seu eixo principal, o eixo onde ocorre maior difusão (Le Bihan, et al., 2001). Ainda não existe na comunidade científica grande consenso quanto aos melhores fluxos de pré-processamento a aplicar. Em (Soares, Marques, Alves, & Sousa, 2013) são sugeridos 6 passos a aplicar: verificar a informação de cabeçalho e parâmetros de aquisição; inspeção visual das imagens para a detecção de distorções e cortes em falta; detecção de imagens corrompidas; conversão do formato das imagens; correção de artefactos de movimento e correntes residuais; remoção do crânio; correção das direções de gradiente.
2.2.2.2 Análise das imagens
Existem várias formas de avaliar a informação presente em DTI, que variam em complexidade e no contexto onde são usadas. A mais simples pode ser entendida como a difusividade média (também conhecida por trace), e é uma quantidade independente de direções e obtida utilizando os 3 valores próprios do tensor de difusão para calcular um valor médio. Outras duas medidas utilizadas são anisotropia relativa (RA-relative anisotropy) e a anisotropia fraccional (FA-fractional anisotropy). FA mede a fração do tensor que pode ser atribuído a difusão anisotrópica e assume valores entre 0 (completamente isotrópica) e 1 (infinitamente anisotrópica). RA representa o rácio entre as partes anisotrópicas e isotrópicas, sendo um desvio padrão normalizado (Le Bihan, et al., 2001; Jones, 2008). Estas três medidas podem ser usadas para construir imagens DTI que traduzem informação relevante à prática médica. A principal direção da difusão nos vóxeis é assumida como sendo colinear com a orientação dos feixes neuronais. A tractografia (figura 2-7) consiste em estimar trajetórias tridimensionais para estruturas anisotrópicas, como as fibras da substância branca, a partir da orientação dos tensores de cada vóxel (Le Bihan, et al., 2001).
Existem dois tipos de metodologias possíveis para calcular essa orientação: determinísticas e probabilísticas. Métodos determinísticos, iniciam o processo com a escolha de um conjunto de seedpoints e regiões de interesse (ROI-region of interest), que indicam os locais onde o processo se irá iniciar e o espaço a que estão limitados. A partir destes pontos é feita uma reconstrução vóxel a vóxel utilizando informação do tensor e adaptando modelos matemáticos para estabelecer um caminho. Esta metodologia pode apresentar resultados clinicamente úteis. Contudo encontra ainda algumas dificuldades, não permitindo criar vários ramos a partir de um vóxel e não apresentando qualquer medida da confiança que se pode ter no resultado. Os métodos probabilísticos constroem, a partir de um seedpoint, uma grande quantidade de caminhos possíveis. Existem vários métodos probabilísticos que podem ser utilizados, mas todos eles produzem um mapa que quantifica o número de caminhos gerados a partir de um seedpoint que passam em cada vóxel. Representam, no fundo, a probabilidade de ligação entre diferentes vóxeis. Estes métodos apresentam sempre um grau de confiança que se pode ter em cada caminho obtido (Jones, 2008).
2.2.2.3 Aplicações clínicas
As principais aplicações clínicas de DTI estão ligadas ao cérebro e vão desde avaliação de isquemia e derrames cerebrais, estudo da substância branca no diagnóstico de doenças como Alzheimer, e tumores cerebrais, como ferramenta de ajuda em exames de RM funcional (Le Bihan, et al., 2001), na avaliação do envelhecimento e do desenvolvimento cerebral e em doenças neuro-psiquiátricas (Thomason & Thompson, 2011). Entre as aplicações que podem ser utilizadas no processamento de imagens DTI pode referir-se o Diffusion Toolkit e o visualizador Trackvis (www.trackvis.org).
Figura 2-10 Tractografia construída no Trackvis; a) vista coronal; b) vista sagital;