Biophysical modelling in diffusion MRI: The role of tissue microstructure and water exchange

Abstract: Popular Abstract in Swedish En magnetkamera kan med hjälp av diffusionsviktad bildtagning användas för att avbilda hjärnans nervsystem. Denna teknik kan utnyttjas för studier av hur hjärnans delar är sammankopplade, men även för att indirekt mäta egenskaper hos hjärnans mikrostruktur. Detta avhandlingsarbete vidareutvecklar de biofysikaliska modeller och mätmetoder som används för denna indirekta avbildning. Genom specialiserade mätningar, framförallt i vitsubstans hos friska försökspersoner och i hjärnvävnad påverkad av ischemisk stroke, demonstrerades att utbyteshastigheten för vatten som diffunderar i olika mikroskopiska omgivningar i hjärnan påverkar den diffusionsviktade bildsignalen. Simuleringar av detta fenomen visade att utbyteshastigheten går att beräkna från bildsignalen. Även axonens diameter kan beräknas, om experimentets så kallade upplösningsförmåga är tillräckligt hög, men denna förmåga bestäms av hårdvaran i magnetkameran. Kunskap om utbyteshastigheten och axondiametern kan vara av vikt vid studier av hjärnans utveckling och ge ökad kunskap om hjärnans funktion. Vissa nerver, framför allt utanför kraniet, består av axoner vars banor är vågformade, de undulerar. När sådan nervvävnad sträcks ut eller komprimeras förändras undulationernas egenskaper. Simuleringar visar att detta fenomen borde ge upphov till förändringar i parametrar som är mätbara med magnetkameran, något som potentiellt kan användas för att studera perifera nerver. Denna avhandling beskriver även utveckling av en ny metod för att bestämma vattnets utbyteshastighet. Metoden validerades genom experiment på vanlig bakjäst upplöst i vatten där både NMR spektrometrar, som liknar magnetkameror för provrör, och en klinisk magnetkamera användes. Studier visade att denna teknik kan användas för att bestämma vattnets utbyteshastighet i vitvävnad och i hjärntumörer. Därigenom möjliggörs undersökningar som ökar vår kunskap om vattenutbyte i hjärnans mikrostruktur och om hur denna påverkas vid sjukdom.