Diffusions-Tensor-Bildgebung
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 2. September 2026Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) ist eine Variante der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie (DW-MRI) und stellt als bildgebendes Verfahren auf der Grundlage der klassischen MRT das Diffusionsverhalten von Wassermolekülen im biologischen Gewebe bildlich dar. Sie findet hauptsächlich bei Untersuchungen des Gehirns Anwendung. Analog zur klassischen MRT ist das Verfahren nicht-invasiv und erfordert keinen Einsatz ionisierender Strahlung.
Was ist die Diffusions-Tensor-Bildgebung?
Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie ist ein Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT), welches die Diffusionsbewegungen der Wassermoleküle im Körpergewebe misst.
In der klinischen Praxis wird sie hauptsächlich zur Untersuchung des Gehirns eingesetzt, denn das Diffusionsverhalten des Wassers erlaubt Rückschlüsse auf einige Erkrankungen des zentralen Nervensystems. Mithilfe der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie oder der Diffusions-Tensor-Bildgebung können auch Informationen über den Verlauf der großen Nervenfaserbündel gewonnen werden. Bei der häufig eingesetzten Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI), einer Variante der DW-MRI, wird auch die Richtungsabhängigkeit der Diffusion erfasst.
Die DTI berechnet pro Volumeneinheit einen Tensor, der zur Beschreibung des dreidimensionalen Diffusionsverhaltens dient. Allerdings sind diese Messungen aufgrund der benötigten immensen Datenmengen deutlich zeitaufwendiger als die klassische MRT. Die Daten können erst über den Einsatz verschiedener Visualisierungs-Techniken interpretiert werden. Heute wird die in den 1990er Jahren entwickelte Diffusions-Tensor-Bildgebung von allen neuen MRT-Geräten unterstützt.
Funktion, Wirkung & Ziele
Dabei besitzt die antiparallele Ausrichtung einen höheren energetischen Zustand als die parallele Ausrichtung. So stellt sich bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ein Gleichgewicht zugunsten der niederenergetischen Protonen ein. Wird quer zu diesem Feld ein Hochfrequenzfeld eingeschaltet, klappen die magnetischen Momente in Abhängigkeit von Stärke und Dauer des Pulses in Richtung der xy-Ebene um. Dieser Zustand wird als Kernspinresonanz bezeichnet. Wenn das Hochfrequenzfeld wieder abgeschaltet wird, richten sich die Kernspins mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der chemischen Umgebung des Protons abhängig ist, wieder in Richtung des statischen Magnetfeldes aus.
Das Signal wird über die erzeugte Spannung in der Messspule registriert. Bei der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie wird während der Messung ein Gradientenfeld angelegt, welches die Feldstärke des statischen Magnetfeldes in eine vorgegebene Richtung verändert. Dadurch geraten die Wasserstoff-Kerne außer Phase und das Signal verschwindet. Wenn durch einen erneuten Hochfrequenzimpuls die Drehrichtung der Kerne umgedreht wird, gelangen sie wieder in Phase und das Signal tritt erneut auf.
Allerdings ist die Intensität des zweiten Signals schwächer, weil einige Kerne nicht mehr in Phase geraten. Dieser Intensitätsverlust des Signals beschreibt die Diffusion des Wassers. Je schwächer das zweite Signal ist, desto mehr Kerne sind in Richtung des Gradientenfeldes diffundiert und desto niedriger ist auch der Diffusionswiderstand. Der Widerstand gegen die Diffusion ist aber wiederum von der inneren Struktur der Nervenzellen abhängig. So kann mithilfe der gemessenen Daten die Struktur des untersuchten Gewebes errechnet und bildlich dargestellt werden.
Eine häufige Anwendung findet die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie bei der Schlaganfalldiagnostik. Durch den Ausfall der Natrium-Kalium-Pumpen beim Schlaganfall kommt es zu starken Einschränkungen der Diffusionsbewegungen. Das wird bei der DW-MRI sofort sichtbar, während bei der herkömmlichen MRT die Veränderungen oft erst nach mehreren Stunden registriert werden können. Ein weiteres Anwendungsgebiet bezieht sich auf die Operationsplanung bei einer Hirnoperation.
Die Diffusions-Tensor-Bildgebung stellt den Verlauf der Nervenbahnen fest. Das muss bei der Operationsplanung berücksichtigt werden. Des Weiteren können die Aufnahmen auch zeigen, ob bereits ein Tumor in die Nervenbahn eingedrungen ist. Auch die Frage, ob eine Operation überhaupt aussichtsreich ist, kann mithilfe dieser Methode abgeschätzt werden. Viele neurologische und psychiatrische Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Epilepsie, Multiple Sklerose, Schizophrenie oder HIV-Enzephalopathie, sind heute Forschungsgegenstand der Diffusions-Tensor-Bildgebung. Dabei geht es um die Frage, welche Hirnregionen bei welchen Erkrankungen betroffen sind. Auch für kognitionswissenschaftliche Studien wird die Diffusions-Tensor-Bildgebung zunehmend als Forschungsinstrument eingesetzt.
Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren
Teilweise ist das Verfahren noch nicht ausgereift und bedarf intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu seiner Verbesserung. So bieten die Messungen der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie oft nur eine eingeschränkte Bildqualität, weil sich die Diffusionsbewegung nur durch eine Abschwächung des gemessenen Signals äußert. Wenig Fortschritte sind auch bei einer höheren Ortsauflösung zu verzeichnen, da bei kleineren Volumenelementen die Signalabschwächungen im Rauschen der Mess-Apparatur verschwinden. Außerdem ist eine große Anzahl von Einzelmessungen notwendig.
Die Messdaten müssen im Computer nachgearbeitet werden, um Störungen zum Teil korrigieren zu können. Bisher gibt es auch noch Probleme, ein komplexes Diffusionsverhalten befriedigend darzustellen. Mit dem einfachen Tensormodell kann die Diffusion innerhalb eines Voxels nur in einer Richtung korrekt erfasst werden; kreuzende Nervenfaserbündel werden dabei falsch wiedergegeben. Lange Zeit war das eine grundsätzliche Grenze des Verfahrens. Inzwischen gibt es Aufnahme- und Auswerteverfahren mit hoher Winkelauflösung, die mehrere Faserrichtungen innerhalb eines Voxels unterscheiden können.
Auch die Methoden zur Auswertung und Weiterverarbeitung der Daten bedürfen noch einer Optimierung. So wurden in früheren Studien die aus der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie ermittelten Daten größerer Probandengruppen miteinander verglichen. Aufgrund der unterschiedlichen anatomischen Strukturen verschiedener Individuen kann das aber zu irreführenden Studienergebnissen führen. Deshalb müssen auch neue Methoden zur statistischen Auswertung entwickelt werden.
Ablauf der Untersuchung
Für den Patienten unterscheidet sich eine Diffusions-Tensor-Bildgebung äußerlich kaum von einer gewöhnlichen Magnetresonanztomographie. Sie wird an demselben Gerät durchgeführt und ist in aller Regel Teil einer größeren Kopfuntersuchung: Zuerst werden die üblichen anatomischen Sequenzen aufgenommen, danach folgen die diffusionsgewichteten Messungen. Für sich allein wären deren Bilder kaum zu deuten, weil ihnen die anatomische Orientierung fehlt.
Vor dem Termin steht ein Aufklärungsgespräch, in dem vor allem geklärt wird, ob sich Metall im oder am Körper befindet. Da das starke Magnetfeld eines MRT-Geräts dauerhaft anliegt und nicht wie eine Röntgenröhre abgeschaltet wird, müssen alle metallischen Gegenstände draußen bleiben: Schmuck, Uhr, Brille, herausnehmbarer Zahnersatz, Hörgeräte, Haarspangen und Piercings ebenso wie Kleidungsstücke mit metallischen Verschlüssen. Auch Karten mit Magnetstreifen gehören nicht in den Untersuchungsraum, weil ihre Daten gelöscht werden können. Manche Kosmetika und Haarprodukte enthalten Metallpigmente und werden vorsorglich abgewaschen.
Die Untersuchung findet im Liegen statt. Der Kopf ruht in einer Kopfspule, einer Art Korb, der die Signale empfängt, und wird mit Polstern gegen unwillkürliche Bewegungen abgestützt. Diese Fixierung ist bei der Diffusions-Tensor-Bildgebung besonders wichtig: Weil die Richtungsinformation aus dem Vergleich vieler nacheinander aufgenommener Einzelmessungen entsteht, verschieben schon geringe Kopfbewegungen die Zuordnung und verfälschen das Ergebnis. Das Gerät erzeugt beim Schalten der Gradienten laute Klopf- und Hämmergeräusche, weshalb Kopfhörer oder Ohrstöpsel ausgegeben werden. Über eine Sprechverbindung und einen Signalball bleibt der Patient während der gesamten Zeit mit dem Personal in Kontakt.
Die Messung selbst dauert länger als eine einfache Sequenz. Für die Berechnung eines Tensors sind rechnerisch mindestens sechs Messungen entlang unterschiedlicher Gradientenrichtungen sowie eine Aufnahme ohne Diffusionswichtung nötig; in der Praxis werden deutlich mehr Richtungen aufgenommen, um den Einfluss des Bildrauschens zu verringern und die Richtungsschätzung zu stabilisieren. Genau daraus ergibt sich der hohe Zeitbedarf des Verfahrens. Ein Kontrastmittel ist für die Diffusionsmessung nicht erforderlich. Wird bei derselben Sitzung dennoch eines gegeben, dann für andere Fragestellungen der übrigen Sequenzen.
Schmerzen verursacht die Untersuchung nicht; der Patient spürt weder das Magnetfeld noch die Hochfrequenzimpulse. Als belastend werden vor allem die Enge der Röhre, der Lärm und die Aufforderung empfunden, über längere Zeit vollkommen still zu liegen. Bei ausgeprägter Klaustrophobie kann der Arzt ein Beruhigungsmittel verordnen; wer ein solches Mittel erhalten hat, darf anschließend nicht selbst Auto fahren und sollte begleitet werden. An manchen Standorten stehen kürzere oder weiter gebaute Geräte zur Verfügung, die das Gefühl der Enge verringern.
Wer die Untersuchung durchführt
Aufgenommen wird die Diffusions-Tensor-Bildgebung von medizinisch-technischen Radiologieassistenten, verantwortet und befundet wird sie von einem Facharzt für Radiologie, häufig mit dem Schwerpunkt Neuroradiologie. Bei Fragestellungen der Operationsplanung arbeiten Neuroradiologie und Neurochirurgie eng zusammen, denn die rekonstruierten Bahnverläufe werden später in die Navigationssysteme des Operationssaals übernommen.
Anders als bei vielen anderen Untersuchungen endet die Arbeit nicht mit der Aufnahme. Die Rohdaten müssen an einer Auswertestation nachbearbeitet werden: Bewegungen zwischen den Einzelmessungen werden rechnerisch ausgeglichen, geometrische Verzerrungen korrigiert, anschließend werden die Kennwerte und, falls gewünscht, die Bahnrekonstruktionen berechnet. Weil dafür sowohl geeignete Software als auch Erfahrung nötig sind, wird die Methode vor allem an Kliniken und größeren radiologischen Einrichtungen angeboten. Ein Termin an einem Gerät bedeutet daher nicht automatisch, dass dort auch eine vollständige Tensorauswertung erstellt wird.
Wann das Verfahren nicht infrage kommt
Die Gegenanzeigen sind dieselben wie bei jeder Magnetresonanztomographie und ergeben sich aus dem Magnetfeld, nicht aus der Diffusionsmessung. Nicht MR-taugliche Herzschrittmacher, implantierte Defibrillatoren, bestimmte Nervenstimulatoren, Cochlea-Implantate, Insulinpumpen und ältere Gefäßclips schließen eine Untersuchung aus oder erfordern besondere Vorkehrungen. Viele heute verwendete Implantate sind unter genau festgelegten Bedingungen zugelassen; maßgeblich ist der Implantatausweis, der zum Termin mitgebracht werden sollte. Metallsplitter im Auge, wie sie nach Arbeitsunfällen zurückbleiben können, gelten als besonders kritisch und werden im Zweifel vorher durch eine Röntgenaufnahme ausgeschlossen.
Tätowierungen und Permanent-Make-up mit metallhaltigen Farbpigmenten können sich während der Messung erwärmen; darauf sollte vorher hingewiesen werden. In der Schwangerschaft wird die Untersuchung zwar nicht durch ionisierende Strahlung belastet, im ersten Schwangerschaftsdrittel aber dennoch nur bei zwingender Fragestellung durchgeführt. Praktisch bedeutsam ist außerdem eine ganz andere Grenze: Wer bewegungsunruhig ist, stark zittert oder die lange Stillliegezeit nicht durchhält, liefert Daten, die für eine Tensorauswertung nicht mehr brauchbar sind. Bei kleinen Kindern oder bei Patienten mit ausgeprägter Unruhe wird deshalb eine Sedierung oder eine Narkose erwogen, was die Abwägung zwischen Nutzen und Aufwand verschiebt.
Was die Bilder zeigen und was nicht
Aus dem berechneten Tensor werden für jedes Volumenelement Kennwerte abgeleitet, die anschließend als Karten dargestellt werden. Die fraktionelle Anisotropie beschreibt, wie stark die Diffusion an eine Vorzugsrichtung gebunden ist. Sie ist ein Verhältniswert zwischen null und eins: In dicht und gleichsinnig gebündelten Abschnitten der weißen Substanz liegt sie hoch, in flüssigkeitsgefüllten Räumen, in denen sich Wasser nach allen Seiten gleich bewegen kann, nahe null. Der mittlere Diffusionskoeffizient beschreibt dagegen nicht die Richtung, sondern das Ausmaß der Beweglichkeit insgesamt.
Verbreitet sind außerdem farbkodierte Richtungskarten. Nach einer international üblichen Konvention werden Bahnen, die von links nach rechts verlaufen, rot dargestellt, solche in Vorn-Hinten-Richtung grün und solche in Kopf-Fuß-Richtung blau; Zwischenrichtungen ergeben Mischfarben. Diese Farbgebung erleichtert die Orientierung erheblich, ist aber eine Darstellungshilfe und kein Messwert.
Bei der Bahnrekonstruktion, der Traktographie, ist eine Einschränkung wichtig, die Laien selten mitgeteilt wird: Die dargestellten Stränge sind keine abgebildeten Nervenfasern. Ein Volumenelement ist um ein Vielfaches größer als eine einzelne Nervenfaser und enthält Tausende von ihnen. Was das Bild zeigt, ist das Ergebnis einer Rechnung, die von Volumenelement zu Volumenelement der jeweils wahrscheinlichsten Richtung folgt. Wie diese Rechnung ausfällt, hängt von den gewählten Abbruchkriterien und Startpunkten ab, sodass unterschiedliche Einstellungen unterschiedlich aussehende Bahnbilder erzeugen können. In der Operationsplanung wird die Traktographie deshalb als zusätzliche Information neben anderen Befunden behandelt.
Auch der Befund selbst ist zurückhaltend zu lesen. Eine verminderte fraktionelle Anisotropie zeigt an, dass die Gewebestruktur in einem Bereich verändert ist — sie sagt aber nicht, wodurch. Wassereinlagerung, Entmarkung, das Einwachsen eines Tumors und altersbedingte Veränderungen können ähnliche Kennwerte hervorrufen. Ein auffälliger Wert wird darum immer im Zusammenhang mit den übrigen Bildern, der Vorgeschichte und der neurologischen Untersuchung eingeordnet und ergibt für sich genommen keine Diagnose.
Abgrenzung zu anderen Verfahren
Gegenüber der herkömmlichen Magnetresonanztomographie ist der Unterschied kein technischer Bruch, sondern eine zusätzliche Information: Die anatomischen Sequenzen zeigen Form, Lage und Gewebekontrast, die Diffusionsmessung zusätzlich die Beweglichkeit des Wassers und damit indirekt die Feinstruktur. Beide werden gemeinsam ausgewertet.
Die Computertomographie arbeitet mit Röntgenstrahlung, ist erheblich schneller verfügbar und bei Knochenverletzungen, frischen Blutungen und in der Notfallsituation überlegen. Eine Richtungsinformation über Nervenbahnen liefert sie nicht. Die funktionelle Magnetresonanztomographie beantwortet wiederum eine andere Frage: Sie zeigt über Änderungen des Blutflusses, welche Hirnregionen bei einer Aufgabe beansprucht werden, während die Diffusions-Tensor-Bildgebung die Verbindungen zwischen den Regionen sichtbar macht. Vor Eingriffen in der Nähe wichtiger Areale werden beide Verfahren häufig kombiniert.
Nuklearmedizinische Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie oder die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie setzen ein schwach radioaktives Mittel ein und bilden Stoffwechsel und Durchblutung ab; sie stehen damit für Fragestellungen zur Verfügung, die weder Anatomie noch Faserverlauf betreffen. Innerhalb der diffusionsgewichteten Verfahren selbst gilt: Für die Frage, ob bei einem Schlaganfall frisch geschädigtes Gewebe vorliegt, genügt die einfache diffusionsgewichtete Aufnahme. Der aufwendigere Tensoransatz lohnt sich erst dann, wenn es auf die Richtung der Bahnen ankommt.
Geschichte und Entwicklung
Der Gedanke, Diffusion mit magnetischer Resonanz zu messen, stammt nicht aus der Medizin, sondern aus der Kernresonanzspektroskopie: Dort wurde bereits Jahrzehnte vor den ersten medizinischen Anwendungen gezeigt, dass sich die Beweglichkeit von Molekülen über ein Paar von Gradientenimpulsen in einer Spin-Echo-Messung erfassen lässt. Dieses Prinzip liegt der diffusionsgewichteten Bildgebung bis heute zugrunde.
In die medizinische Bildgebung wurde es Mitte der 1980er Jahre übertragen. Der entscheidende Schritt zur Diffusions-Tensor-Bildgebung folgte in den 1990er Jahren mit dem Vorschlag, die Messung nicht auf eine Richtung zu beschränken, sondern das Diffusionsverhalten als Tensor zu beschreiben und damit richtungsabhängig zu erfassen. Praktisch nutzbar wurde das Verfahren allerdings erst, als sehr schnelle Aufnahmetechniken und leistungsfähigere Gradientensysteme zur Verfügung standen — ohne sie hätte die große Zahl notwendiger Einzelmessungen die Untersuchungszeit gesprengt.
Seither hat sich vor allem die Auswertung weiterentwickelt. Verfahren mit hoher Winkelauflösung nehmen deutlich mehr Richtungen auf und können innerhalb eines Volumenelements mehrere Faserrichtungen unterscheiden, womit die alte Schwäche des einfachen Tensormodells bei kreuzenden Bündeln zumindest entschärft wird. Parallel entstanden große Forschungsvorhaben, die sich die systematische Kartierung der Verbindungen im menschlichen Gehirn zum Ziel gesetzt haben. Klinisch bleibt die Methode dennoch in weiten Teilen ein ergänzendes und in der Forschung verankertes Verfahren.
Nach der Untersuchung
Unmittelbar nach der Messung ist keine Erholungszeit nötig. Wer kein Beruhigungsmittel erhalten hat, kann die Einrichtung sofort verlassen und den Tag normal fortsetzen; Einschränkungen für Beruf, Sport oder Autofahren ergeben sich aus der Untersuchung selbst nicht. Wurde ein Kontrastmittel für andere Sequenzen gegeben, gelten die dafür üblichen Hinweise.
Der Befund liegt jedoch meist nicht sofort vor. Die Nachverarbeitung der Diffusionsdaten benötigt Rechenzeit und ärztliche Beurteilung, sodass zwischen Untersuchung und Besprechung einige Zeit vergeht. Das Ergebnis wird dem überweisenden Arzt übermittelt und mit ihm besprochen, nicht in der Regel direkt am Gerät.
Weil das Verfahren ohne ionisierende Strahlung auskommt, spricht aus Strahlenschutzgründen nichts gegen Wiederholungen. Das ist bei Verlaufskontrollen von Bedeutung, etwa wenn beobachtet werden soll, wie sich ein Befund über die Zeit verändert. Damit solche Vergleiche aussagekräftig sind, wird angestrebt, die Folgeuntersuchung möglichst am selben Gerätetyp und mit denselben Messeinstellungen durchzuführen: Kennwerte wie die fraktionelle Anisotropie hängen von der Aufnahmetechnik ab und lassen sich zwischen unterschiedlich eingestellten Geräten nur eingeschränkt gegenüberstellen.
Quellen
- Reiser, M., Kuhn, F.-P., Debus, J. (Hrsg.): Duale Reihe Radiologie.
ISBN: 9783132444621
- Berlit, P.: Klinische Neurologie.
ISBN: 9783662606742
- Masuhr, K. F., Masuhr, F., Neumann, M.: Duale Reihe Neurologie.
ISBN: 9783132410961
- Aust, G., Engele, J., Kirsch, J., et al.: Anatomie.
ISBN: 9783132452572
- Vogel, P., Aroyo, I.: Kursbuch Klinische Neurophysiologie.
ISBN: 9783132456792