Morfologisk och funktionell hjärnavbildning med magnetkamera. MR-fysik

Morfologisk och funktionell hjärnavbildning med magnetkamera Ronnie Wirestam Professor Avd. för Medicinsk Strålningsfysik MR-fysik MR = Magnetresonans NMR = Nuclear Magnetic Resonance MRI = Magnetic Resonance Imaging Magnetkamera 1

Typiska MR-maskiner MR-bild kräver: Signal - bildintensitet Kontrast - olika signal från olika vävnader Rumsupplösning - signalen inplacerad på rätt ställe i bilden 2

Signal H 2 O ~ 70% + Liten kompassnål - + Vätekärna med kärnegenskapen spinn Laddning i rörelse genererar magnetfält 1000 000 000 000 000 000 000 3

z y x Naturligt tillstånd: Ingen föredragen orientering z y x Naturligt tillstånd: Ingen föredragen orientering Credit: Lars Hanson, DRCMR 4

Yttre magnetfält B 0 (oftast någon tesla): Yttre magnetfält B 0 (oftast några tesla): 5

Yttre magnetfält B 0 (oftast någon tesla): Kärnorna ställer in sig i magnetfältet Rotationsrörelse (s.k. precession) uppstår z B 0 y x Yttre magnetfält B 0 (oftast någon tesla): Kärnorna ställer in sig i magnetfältet Rotationsrörelse (s.k. precession) uppstår z B 0 y x Credit: Lars Hanson, DRCMR 6

Yttre magnetfält B 0 (oftast någon tesla): Kärnorna ställer in sig i magnetfältet Rotationsrörelse (s.k. precession) uppstår Precessionsfrekvensen f (resonansfrekvensen) är proportionell mot magnetfältets styrka B f = konstant B T.ex. f = 64 MHz vid B = 1.5 T z B 0 y x Yttre magnetfält: De enskilda vätekärnorna samverkar till en... 7

z z B 0 M y y x x Yttre magnetfält: De enskilda vätekärnorna samverkar till en......nettomagnetiseringsvektor M Ingen tidsvariation Credit: Lars Hanson, DRCMR Förändring av jämviktstillståndet: Kontrollerad insändning av radiofrekvent energi (RF) med rätt frekvens Kallas RF-puls 8

Förändring av jämviktstillståndet: Kontrollerad insändning av radiofrekvent energi (RF) med rätt frekvens Kallas RF-puls Effekt: M vrids ner mot det vågräta planet under rotation B 0 RF-puls Credit: Lars Hanson, DRCMR 9

z B 0 RF-puls v M y x Signaldetektering: Efter vridning utgör magnetiseringsvektorn ett tidsvarierande magnetfält i det vågräta planet En s.k. mottagarspole placeras kring eller nära intill objektet En växelström induceras i spolen (principen för växelströmsgenerator) 10

z Ström M y x Spole MRsignal Tid Obs! Växelströmmens frekvens bestäms av precessionsfrekvensen 11

Kontrast Uppenbarligen inte bara olika vattenhalt... 12

Kontrast Systemet återgår till grundtillståndet, via s.k. relaxation Signalen dör bort och M återuppväxer Två processer som går olika snabbt i olika vävnader De två processerna: RELAXATION Magnetiseringens återuppväxande: T1-relaxation M Signalens bortdöende: T2-relaxation T2*-relaxation 13

T1-RELAXATION HI MED LO T1 M z t T2-/T2*-RELAXATION HI MED LO T2 S TE 14

Rumsupplösning 15

Rumsupplösning: Små magnetfältsvariationer (gradienter) introduceras Kom ihåg: Frekvensen f proportionell mot magnetfältet B f = 43 MHz/T B Rumsupplösning: Skivselektion 16

Gradient (ökning av magnetfältet) f 1 f 2 Skiva väljs ut! 17

Rumsupplösning: Två-dimensionell upplösning i den valda skivans plan Skapa olika egenskaper hos signalen från olika positioner Rumsupplösning: Frekvenskodning Ökande magnetfält (gradient) f = 43 MHz/T B 18

Rumsupplösning: Frekvenskodning Ökande magnetfält (gradient) f = 43 MHz/T B x 1 x 2 B 1 B 2 f 1 f 2 Rumsupplösning: Frekvenskodning Ökande magnetfält (gradient) f = 43 MHz/T B x 1 x 2 B 1 B 2 f 1 f 2 Summasignal i mottagarspolen Signalkomponenter med olika frekvens. Frekvensanalys krävs! 19

Rumsupplösning: Frekvenskodning Ökande magnetfält (gradient) f = 43 MHz/T B x 1 x 2 B 1 B 2 f 1 f 2 Bild x 1 x 2 Signal Summasignal i mottagarspolen f 1 f 2 f Rumsupplösning: Frekvenskodning f = 43 MHz/T B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frekvenskodningsriktning 20

Rumsupplösning: Faskodning B 3 f 3 B 2 f 2 B 1 f 1 Rumsupplösning: Frekvenskodning och faskodning f = 43 MHz/T B Faskodningsriktning 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frekvenskodningsriktning 21

Rumsupplösning: Frekvenskodning och faskodning f = 43 MHz/T B Faskodningsriktning 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frekvenskodningsriktning Pulssekvenser Två-dimensionell information kräver upprepning av s.k. pulssekvens, t.ex. 128, 256 eller 512 gånger Tidsintervall mellan RF-pulser avgör kontrasten i bilden 22

Gradient Echo RF G skiv α o TR tid G fas G frekv Signal TE tid Gradient Echo RF G skiv α o TR tid G fas G frekv TR Signal TE 23

Pulssekvenser och kontrast Åtskilliga pulssekvenstyper finns Kontrast manipuleras t.ex. via TE och TR Pulssekvenser och kontrast Åtskilliga pulssekvenstyper finns Kontrast manipuleras t.ex. via TE och TR Exempel: Spinn-eko T1-viktning T2-viktning Protontäthetsviktn. Kort TR Kort TE Lång TR Lång TE Lång TR Kort TE 24

Gradient Echo EPI RF G skiv α o tid G fas G frekv Signal TE Snabbare version: Echo-planar imaging (EPI) "alla rader på en gång" Bildrekonstruktionen 25

Signal Insamlad signal digitaliseras och talen omvandlas till gråskalevärden Alla de olika signalinsamlingarna läggs in, rad för rad Signalrummet (rådata, k-rummet) Bildrummet Fourier-transform! 26

Anatomi - morfologi 27

7 tesla Lund: Avbildning av vensystem 0.4 0.45 0.3 mm 3 7 tesla Lund: 0.8 0.8 0.8 mm 3 28

7 tesla Lund: Knä 0.3 0.3 1.5 mm 3 7 tesla Lund: Knä 0.3 0.3 1.5 mm 3 (Olika snitt visas) 29

Segmentering, volumetri, morfometri Segmentering: Specifika strukturer eller vävnadstyper identifieras/ klassificeras, oftast baserat på signalskillnader (d.v.s. konstrasten) Ofta 3D-visualisering Karakterisering av strukturers form (morfometri) Beräkning av volym (volumetri) 30

Flöden och rörelser 7 tesla - Lund MR-angiografi 31

Diffusion - termiska molekylrörelser Fenomenets natur y/mm 0.66 0.65 0.64 0.63 0.62 0 0.01 0.02 0.03 0.04 x/mm Slumpmässig termisk rörelse hos vattenmolekylerna "Celltäthet" Mikrostrukturer 32

Mikrostruktur: Isotropi vs. anisotropi Z Isotrop diffusion Y Anisotrop diffusion X Z Y X 33

Huvudsakliga diffusionsriktningar Visualisering av buntar av nervfibrer i vit substans ("fiber tracking") Tillämpning: Demyelinisering Perfusion - kapillärt blodflöde 34

Cerebral perfusion Cerebral blodvolym CBV [ml/100g] Cerebralt blodflöde CBF [ml/min/100g] Medelpassagetid (mean transit time) MTT [s] Intravaskulärt spårämne: Dynamic susceptibility contrast (DSC) MRI Intravenös injektion Snabb injektion av gadolinium-baserat kontrastmedel Kontrastmedlet stannar i blodbanan i hjärnan p.g.a. blodhjärn-barriären 35

Intravaskulärt spårämne: Dynamic susceptibility contrast (DSC) MRI Ett volymselement (grå vävnad): Injektion av gadolinium-baserat kontrastmedel Snabb bildtagning (T 2* -viktad) ( 1.5 s/bild) Beräkning av CBV, CBF och MTT utifrån signalkurvor över tid Normal försöksperson CBV CBF MTT 36

Arterial spin labelling (ASL) Helt icke-invasiv teknik inget kontrastmedel Möjliggör upprepade mätningar med kort väntetid Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins 37

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) Blood-tissue water exchange non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins 38

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins 39

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment Blood-tissue water exchange 180 RF-pulse (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins 41

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment Blood-tissue water exchange 180 RF-pulse (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment MR image of tissue slice 180 RF-pulse (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins 43

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (2) Control experiment MR image of tissue slice non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) Magnetiskt märkta vattenmolekyler ( ) reducerar magnetiseringsvektorn M M Detta leder till lägre signal i bilden större sänkning i regioner med hög perfusion 44

z M y x Spole Ström MRsignal Tid z Ström M y x Spole MRsignal Tid 45

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) Magnetiskt märkta vattenmolekyler ( ) reducerar magnetiseringsvektorn M M Detta leder till lägre signal i bilden större sänkning i regioner med hög perfusion Subtraktion Kontroll - Märkt ger CBF-karta (många mätningar krävs) Exempel: Perfusion/Diffusion - Patient med cerebral infarkt Morfologi Diffusion Blodflöde MTT 4 hours after stroke 46

Exempel: Perfusion/Diffusion - Patient med cerebral infarkt Morfologi Diffusion Blodflöde MTT 4 hours after stroke 7 days after stroke 47