Fraktionale Anisotropie

Wassermoleküle bewegen sich im Gewebe zufällig durch Brownsche Molekularbewegung. In isotropen Medien wie der grauen Substanz oder Liquorräumen ist diese Diffusion nahezu gleichmäßig. In anisotropen Strukturen – etwa in Nervenfaserbündeln – wird sie durch Zellmembranen und Myelinscheiden bevorzugt entlang der Faserachse gelenkt.

Die DTI beschreibt diese gerichtete Bewegung mathematisch mit einem Diffusionstensor, dessen drei Eigenwerte (λ₁, λ₂, λ₃) die Diffusionskoeffizienten entlang der Hauptachsen darstellen. Aus deren Varianz ergibt sich die FA als normierter Wert zwischen 0 (vollständig isotrop) und 1 (vollständig anisotrop):

$${\displaystyle FA=\surd {3 \over 2}\cdot {\surd (\lambda _{1}-{\bar {\lambda }})^{2}+(\lambda _{2}-{\bar {\lambda }})^{2}+(\lambda _{3}-{\bar {\lambda }})^{2} \over \surd \lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}}}$$

wobei ${\displaystyle {\bar {\lambda }}}$ den Mittelwert der drei Eigenwerte bezeichnet.

Zur Bestimmung der FA werden während einer MRT-Untersuchung mehrere Diffusionsrichtungen mit unterschiedlichen Gewichtungen gemessen. Aus den Signalintensitäten wird der Diffusionstensor für jedes Voxel berechnet. Die resultierenden FA-Werte werden anschließend farbcodiert dargestellt oder in der Traktografie genutzt, um Faserbahnen anhand ähnlicher Diffusionsrichtungen zu rekonstruieren. Die Auswertung erfolgt meist automatisiert über spezialisierte Software.

Hohe FA-Werte weisen auf eine stark gerichtete Diffusion hin und spiegeln eine ausgeprägte strukturelle Organisation des Gewebes wider. Niedrige Werte deuten auf eine verminderte Richtungsorganisation oder mikrostrukturelle Veränderungen hin, etwa bei Schädigung von Axonen oder Myelinscheiden.

Die FA ist jedoch kein spezifischer Marker für Myelinisierung oder axonale Dichte, sondern ein summarisches Maß für die Richtungsorganisation. Erhöhte oder erhaltene FA-Werte können auch durch Reorganisation, Faserverläufe oder methodische Einflüsse entstehen und müssen daher stets im Zusammenhang mit weiteren Diffusionsparametern (z. B. axialer und radialer Diffusivität) interpretiert werden.

Die fraktionale Anisotropie hat in der klinischen und wissenschaftlichen Bildgebung große Bedeutung. In der Neurologie wird sie zur Beurteilung struktureller Veränderungen der weißen Substanz eingesetzt, beispielsweise bei Multipler Sklerose, traumatischen Hirnverletzungen, Schlaganfall oder neurodegenerativen Erkrankungen. Bei zerebraler Ischämie zeigt sich häufig eine zeitabhängige FA-Abnahme in den betroffenen Bahnen infolge sekundärer Degeneration.

In der Neurochirurgie dient die FA-basierte Traktografie der präoperativen Planung, um funktionell wichtige Leitungsbahnen wie den Pyramiden- oder Sprachtrakt zu identifizieren und zu schonen. In der Psychiatrie und Kognitionsforschung wird sie zur Untersuchung von Konnektivitätsveränderungen und deren Zusammenhang mit kognitiven Funktionen eingesetzt.

Die Aussagekraft der FA ist durch verschiedene technische und biologische Faktoren begrenzt. Messrauschen, Partialvolumeneffekte, Kreuzungen mehrerer Faserbündel in einem Voxel oder die Wahl der Akquisitionsparameter (b-Werte, Anzahl der Diffusionsrichtungen) können die Werte erheblich beeinflussen. Zudem sind FA-Werte nur eingeschränkt zwischen unterschiedlichen Scannern und Studien vergleichbar.

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