Συγκριτική μελέτη των απεικονιστικών μεθόδων της συμβατικής τομογραφίας με τη φασματοσκοπία μαγνητικού συντονισμού, μονήρους και πολλαπλών ογκοστοιχείων, στα γλοιώματα του ανθρωπίνου εγκεφάλου

Abstract

Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού συνιστά μια μη επεμβατική ιατρική απεικονιστική τεχνική, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στην ακτινολογία για τη λεπτομερή οπτικοποίηση των εσωτερικών ανατομικών δομών του ανθρώπινου οργανισμού. Με την εξέλιξη της, έχει αναπτυχθεί μια πληθώρα καινοτόμων μεθόδων, οι οποίες εφοδιάζουν την κοινότητα των φυσικών, τεχνολόγων και ιατρών με πανίσχυρα διαγνωστικά εργαλεία. Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού συνιστά επιπλέον μια από τις ελάχιστες μη ιοντίζουσες απεικονιστικές τεχνικές, γεγονός που καθιστά την ανάπτυξη και την ευρεία χρήση της ένα εγχείρημα πρωτίστης σημασίας για την ασφάλεια των ασθενών.

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των βασικών αρχών λειτουργίας της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού, καθώς και η σύγκριση διαφορετικών τεχνικών απεικόνισης σε περιπτώσεις γλοιωμάτων του εγκεφάλου. Στο πρώτο μέρος, περιγράφονται οι βασικές αρχές λειτουργίας της ιατρικής απεικόνισης τόσο σε θεωρητικό όσο και σε τεχνικό επίπεδο. Στη συνέχεια, αναλύεται η τεχνική της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (ΠΜΣ), παρουσιάζεται η βασική δομή του κεντρικού νευρικού συστήματος και των νεοπλασιών του, καθώς και η δυνατότητα ανίχνευσής τους με τη χρήση των απεικονιστικών τεχνικών που θα μελετηθούν.

Με τα προαναφερθέντα θεωρητικά εφόδια, στο δεύτερο μέρος μελετάται η δυνατότητα της διαφορικής διάγνωσης μεταξύ των γλοιωμάτων του εγκεφάλου και άλλων χαρακτηριστικών νεοπλασιών ή βλαβών, καθώς και η αποτελεσματικότητα των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του τύπου και της βάθμωσης της εξέλιξης της κακοήθειας των γλοιωμάτων. Ειδικότερα, πραγματοποιείται σύγκριση των συμβατικών τεχνικών της μαγνητικής τομογραφίας (Τ_1,Τ_2 σταθμίσεις, FLAIR, σταθμισμένης διάχυσης) με την τεχνική της φασματοσκοπίας μαγνητικού συντονισμού (ΦΜΣ) μονήρους και πολλαπλών ογκοστοιχείων, σε ασθενείς με γλοιώματα χαμηλού και υψηλού βαθμού κακοήθειας καθώς και άλλων ενδεικτικών βλαβών για το διαχωρισμό τους από τα πρώτα.

Η σύγκριση της συμβατικής μαγνητικής τομογραφίας και της ΦΜΣ οδηγεί στο συμπέρασμα πως με την πρώτη είναι δυνατός ο εντοπισμός της βλάβης, γεγονός που θα καθοδηγήσει τη δεύτερη, συνεισφέροντας στη διαφορική διάγνωση της παθολογίας που εξετάζεται. Παρόλα αυτά, η συμβατική ΜΤ παρουσιάζει συχνά παραπλανητικό χαρακτήρα εμφανίζοντας απεικονιστικά ευρήματα που είτε δε συνάδουν με το φασματοσκοπικό αποτύπωμα των γλοιωμάτων, όπως πραγματοποιείται με τη ΦΜΣ, είτε είναι όμοια ανάμεσα σε πληθώρα βλαβών. Η ΦΜΣ είναι σε θέση να υποκαταστήσει ή να υποβοηθήσει την βιοψία, προσδιορίζοντας τη βάθμωση της κακοήθειας και τον τύπο των γλοιωμάτων βάση του λόγου της ολικής χολίνης προς ολική κρεατίνη (tCho/tCr) και άλλων λόγων μεταβολιτών (Naa/tCr, mI/tCr), καθώς και με τον προσδιορισμό των απολύτων συγκεντρώσεων όχι μόνο των προαναφερθέντων μεταβολιτών, αλλά και άλλων που εμφανίζονται υπό δεδομένες παθολογίες (Γαλακτικό Οξύ, Λιπίδια). Το σημαντικότερο πλεονέκτημα όμως της φασματοσκοπίας μονήρους (SVS) και πολλαπλών ογκοστοιχείων (3D CSI), το οποίο την καθιστά αναντικατάστατη και κατ’ επέκταση απαραίτητη στην κλινική εφαρμογή, είναι η δυνατότητα προσδιορισμού της έκτασης της περιεστιακής διήθησης των γλοιωμάτων. Οι πραγματικές διαστάσεις της βλάβης, που πολλές φορές είναι αόρατες με τη συμβατική απεικόνιση, είναι απαραίτητες για το σχεδιασμό της ακτινοθεραπείας του ασθενή, καθώς και για την εκτίμηση της δυνατότητας χειρουργικής αφαίρεσης του γλοιώματος.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive medical imaging technique, widely used in radiology for the detailed visualization of the inner anatomical structures of the human organism. The development of the former has introduced a wide variety of innovative methods which supplied physicists, technologists and doctors with powerful diagnostic tools. The MRI technique is one of the few non-ionizing imaging techniques, with such a high resolution in soft tissues, which renders its development and widespread use a high priority for the benefit of patients’ safety.

The purpose of the current thesis is the study of the basic prinicples behind MRI and the comparison of different techniques in the diagnosis of brain tumours. The first part consists of the analysis of the operating principles of nuclear magnetic resonance (NMR) imaging, both in theoretical and technological level. Subsequently, the techniques of conventional NMR imaging are analyzed in detail, along with Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) technique. Moreover, the basic structure of the nervous system is presented and a brief description of carcinogenesis and various neoplasms, as they are detected through the scope of MRS, complete the theoretical background of the study,

In the second part of the thesis, the possibility of differential diagnosis between brain gliomas and other characteristic neoplasms or lesions is examined. The efficiency of the aforementioned diagnostic techniques is tested, as far as the determination of brain gliomas’ types, grading and infiltration is concerned. In particular, the conventional MR techniques (T_1,T_2 weighted,FLAIR,diffusion weighted) are compared with the single and multiple voxel MRS, in cases of patients with low or high malignancy gliomas, as well as other indicative brain lesions for their dedifferentiation from the former.

The conventional NMR imaging techniques are able to locate the general area of lesion, a fact which guides MRS voxel selection, contributing in the differential diagnosis of pathologies. However, conventional MR techniques often exhibit misleading findings which either come in contrast with MRS biochemical spectra in brain gliomas, or present indistinguishable MR profiles from other lesions. Thus, MRS imaging is able to replace or to assist biopsy by determining the grading and the type of glioma through primarily the total choline to total cratine ratio (tCho/tCr) and other metabolite ratios (Naa/tCr, mI/tCr), along with absolute concentratios of the aforementioned metabolites and others which appear under specific pathologies (Lactate, Lipids). The most important advantage of Single Voxel (SVS) and 3D Multi Voxel (3D CSI) MRS, which renders them irreplaceable, and by extension indispensable to the clinical practice, is the possibility to determine the full extent of the perifocal diffusive infiltration of gliomas. The actual dimensions of the glioma, which may not be visible by conventional MR techniques, are important for the correct radiotherapy plan, as well as for the evaluation of the possibility of tumor’s surgical removal.