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 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

Yttre magnetfält B 0 (oftast några tesla): Yttre magnetfält B 0 (oftast någon tesla): Kärnorna ställer in sig i magnetfältet Rotationsrörelse (s.k. precession) uppstår Precessionsfrekvensen (resonansfrekvensen) är proportionell mot magnetfältets styrka T.ex. 64 MHz vid 1.5 T 4

z y x Naturligt tillstånd: Ingen föredragen orientering z z B 0 M y y x x Yttre magnetfält: De enskilda vätekärnorna samverkar till en......nettomagnetiseringsvektor M Ingen tidsvariation 5

Förändring av jämviktstillståndet: Kontrollerad insändning av radiofrekvent energi (RF) med rätt frekvens Effekt: M vrids ner mot det vågräta planet under rotation z B 0 RF-puls v M y x 6

Signaldetektering: Magnetiseringsvektorn utgör 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) z Ström M y x Spole MRsignal Tid Obs! Växelströmmens frekvens bestäms av precessionsfrekvensen 7

Kontrast 8

Uppenbarligen inte bara olika vattenhalt... Kontrast Systemet återgår till grundtillståndet Signalen dör bort och M återuppväxer Två processer som går olika snabbt i olika vävnader 9

De två processerna: RELAXATION Magnetiseringens återuppväxande: T1-relaxation M Signalens bortdöende: T2-relaxation T1-RELAXATION HI MED LO T1 M z t 10

T2-RELAXATION HI MED LO T2 S TE 11

Rumsupplösning Rumsupplösning: Små magnetfältsvariationer (gradienter) introduceras Kom ihåg: Frekvensen proportionell mot magnetfältet 12

Rumsupplösning: Skivselektion Gradient (ökning av magnetfältet) f 1 f 2 13

Skiva väljs ut! Rumsupplösning: Två-dimensionell upplösning i den valda skivans plan Skapa olika egenskaper hos signal från olika positioner 14

Rumsupplösning: Frekvenskodning Ökande magnetfält (gradient) f 0 = 43 MHz/T B 0 x 1 x 2 B 1 B 2 f 1 f 2 Summasignal i mottagarspolen Signalkomponenter med olika frekvens. Frekvensanalys krävs! Rumsupplösning: Frekvenskodning Ökande magnetfält (gradient) f 0 = 43 MHz/T B 0 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 15

Rumsupplösning: Frekvenskodning f 0 = 43 MHz/T B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frekvenskodningsriktning Rumsupplösning: Faskodning f 3 f 2 f 1 16

Rumsupplösning: Frekvenskodning och faskodning f 0 = 43 MHz/T B 0 Faskodningsriktning 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rumsupplösning: Frekvenskodning och faskodning f 0 = 43 MHz/T B 0 Faskodningsriktning 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frekvenskodningsriktning Frekvenskodningsriktning 17

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 Gradient Echo RF α o... TR = repetitionstid tid Signal... TE = ekotid tid 18

Gradient Echo RF α o G skiv TR G fas G frekv Signal TE tid Gradient Echo RF α o G skiv TR G fas G frekv TR Signal TE 19

Bildrekonstruktionen Signal Insamlad signal digitaliseras och talen omvandlas till gråskalevärden Alla de olika signalinsamlingarna läggs in, rad för rad 20

Signalrummet (rådata, k-rummet) Bildrummet Fourier-transform! 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 21

Anatomi - morfologi 22

7 tesla Lund: Avbildning av vensystem 0.4 0.45 0.3 mm 3 7 tesla Lund: Knä 0.3 0.3 1.5 mm 3 Flöden och rörelser 23

7 tesla - Lund MR-angiografi Diffusion - termiska molekylrörelser 24

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 25

Isotropi vs. anisotropi Z Isotrop diffusion Y Anisotrop diffusion X Z Y X Huvudsakliga diffusionsriktningar Visualisering av buntar av nervfibrer i vit substans Tillämpning: Demyelinisering 26

Perfusion - kapillärt blodflöde Cerebral perfusion Cerebral blodvolym CBV [ml/100g] Cerebralt blodflöde CBF [ml/min/100g] Medelpassagetid (mean transit time) MTT [s] 27

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 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) Bedömning av CBV, CBF och MTT 28

Beräkningsprocedur: CBV, CBF och MTT Artär (arteriell inputfunktion) C a (t) Dekonvolution Vävnad C t (t) CBF Division Yta under kurva Integration CBV MTT Normal försöksperson CBV CBF MTT 29

Användbarhet Kvantifiering av CBV och CBF i absoluta termer (i ml/min/100g) är svårt att uppnå Jämförelser mellan DSC-MRI och andra metoder visar rimlig linjäritet Arterial spin labelling (ASL) Helt icke-invasiv teknik inget kontrastmedel Möjliggör upprepade mätningar med kort väntetid 30

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins 31

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) Blood-tissue water exchange 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 32

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 33

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 35

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 38

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 39

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) Perfusion/Diffusion: Patient med cerebral infarkt Vanlig MR Diffusion Blodflöde MTT 4 hours after stroke 40

Perfusion/Diffusion: Patient med cerebral infarkt Vanlig MR Diffusion Blodflöde MTT 4 hours after stroke 7 days after stroke 41