En MR fysikers hjärna vilar aldrig: Om ett blodflöde i överflöd, ett rörligt i t ll kt och intellekt h en oupphörlig hö li aktivitet kti it t Ronnie Wirestam Avd. för Medicinsk Strålningsfysik Lunds Universitet ronnie.wirestam@med.lu.se i i t @ dl FT
Hjärnan Ett rörligt intellekt (eller åtminstone miljön där det vistas...) Blodflöde ibland i överflöd men inte alltid Hjärnaktiveringens fysiologi och dynamik En oupphörlig aktivitet (2% av massan, 20% av energin/syret)
Det rörliga intellektet... t MR-signalen registreras som komplext tal. Fasvinkeln har inneboende rörelsekänslighet. Φ v Höga gradienter medger att låga hastigheter kan mätas med hög känslighet Hjärnvävnadsrörelser (brain motion)
Det rörliga intellektet... t Wirestam et al., ISMRM, New York, 1990
Det rörliga intellektet... t Greitz, Wirestam et al., Neuroradiology (1992)
Det rörliga intellektet... t Hjärnrörelser som drivkraft för CSF-cirkulationen Förståelse för t.ex. hydrocephalus h Felkälla vid mätning av diffusion och andra Felkälla vid mätning av diffusion och andra inkoherenta rörelser inom ett volymselement
Ett blodflöde i överflöd... Inte alltid, naturligtvis... Många kliniska tillämpningar avser visualisering av perfusionsdefekt
Ett blodflöde i överflöd... Inte alltid, naturligtvis...
Ett blodflöde i överflöd... Vazquez et al., Frontiers in Neuroenergetics 2 (2010), 1-12
Ett blodflöde i överflöd... Koppling mellan Hjärnaktivering i (neuronal aktivering) i Cerebralt blodflöde (CBF) Syreextraktion (oxygen extraction fraction, OEF) Syremetabolism (cerebral metabolic rate of oxygen, CMRO 2 )
Ett blodflöde i överflöd...
Cerebrala perfusionsparametrar i vila Cerebralt blodflöde CBF [ 45 ml/(min 100g)] Cerebral blodvolym l CBV [ 35 3.5 ml/100g] Medelpassagetid MTT (artär- till vensida) [ 5 s]
Perfusion med MR Dynamic susceptibility contrast MRI (DSC-MRI) Arterial spin labelling lli (ASL) MRI
Vanligaste MR-metoden: Dynamic susceptibility contrast t (DSC) MRI Signal i en voxel (grå vävnad): Bedömning CBV, CBF and MTT, oftast i relativa termer Bolusinjektion av Gd-baserat kontrastmedel Dynamisk snabb bildtagning Omräkning av signaländring till koncentrationsförlopp
Teori DSC-MRI: Översikt över procedur Vävnad C(t) Integrera över tid CBV Artär C a (t) Dekonvolvera Residualfunktion R(t) Dividera CBF Area-to-Height MTT
DSC-MRI: Viktiga egenskaper Ger även CBV och MTT autoregulation
Arterial spin labelling (ASL)
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
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
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
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 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
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
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
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
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
Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (2) Control experiment 180 RF-pulse (spin inversion) MR image of tissue slice non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins
Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) Magnetiskt märkta vattenmolekyler l ( ) reducerar den longitudinella magnetiseringsvektorn M M
Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) Magnetiskt märkta vattenmolekyler l ( ) reducerar den longitudinella magnetiseringsvektorn M M Detta leder till sänkt bildsignal större sänkning i regioner med hög perfusion Subtraktion kontroll minus märkt ger CBF bild Subtraktion kontroll minus märkt ger CBF-bild (medelvärdering krävs)
ASL: Viktiga egenskaper Ger enbart CBF, ej CBV och MTT Upprepade undersökningar möjliga
Ett blodflöde i överflöd... Vad händer vid neuronal aktivering? Introduktion av BOLD-fMRI Koppling till perfusion Koppling till syreextraktion och syremetabolism
Ett blodflöde i överflöd...
Ett blodflöde i överflöd... Syreextraktionsfraktionen minskar vid aktivering Aktivering Donahue et al.: JCBFM (2009) 29, 1856
Ett blodflöde i överflöd... Vila (normalläge): Jämviktsnivå av icke-syresatt blod Deoxyhemoglobin paramagnetiskt Fältstörning urfasning sänkt signal Aktivering Syresatt blod i överflöd Oxyhemoglobin diamagnetiskt (som vävnad) Mindre fältstörning ökad signal
Ett blodflöde i överflöd... Signal Kraftigt ökat blodflöde mer oxyhemoglobin Blodvolymen minskar långsamt Aktivering ger ökad mer deoxyhemoglobin syrekonsumtion mer deoxyhemoglobin 2 4 6 8 10 12 Hemodynamisk responsfunktion (HRF) Tid / s
Stimulering aktivering: Klinisk fmri Data-analys av varje Data-analys av varje bildelement
Stimulering aktivering: Klinisk fmri Experiment AV-PÅ (röd) Konvolution med HRF ger referensfunktion (grön) Jämför statistiskt med Jämför statistiskt med uppmätt signal (blå)
Stimulering aktivering: BOLD-fMRI 39-year-old woman with left-sided glioblastoma, motor activation right hand Preop fmri
Stimulering aktivering: BOLD-fMRI Understanding BOLD-fMRI contrast
Hjärnaktivering Syremetabolism CMRO 2 : +12% Syreextraktion OEF: -30% Venös syresättning +17% Cerebralt blodflöde: +55% Cerebral blodvolym: +15%
Hjärnaktivering CMRO 2 = CBF OEF konstant OEF = 1 (ven syresättning/artär syresättning) Graden av syresättning påverkar MR-signal (som i BOLD-fMRI) och fasskift
Modellexperiment: Hyperventilation CBF minskar vid hyperventilation (ca 30%), men syremetabolismen är i princip oförändrad.
Modellexperiment: Hyperventilation SNR i ven Fördelning av passagetider för blodet från artär- till vensida 30% SNR-sänkning vid hyperventilation
Syreextraktion: Hypoventilation Syreextraktion i hjärnan Syremetabolism i hjärnan Fasbilder (T.v. RW hypoventilerar)
En oupphörlig aktivitet... 1994: RW ligger helt stilla Tänker intensivt på att han rör högra handens fingrar
En oupphörlig aktivitet... Observationer av aktiveringsmönster även i mental vila Resting-state networks Ett flertal olika interna nätverk existerar Nytta i klinisk fmri Patienter som ej kan följa anvisningar, barn, etc.
Resting state networks Two examples Mannfolk P., PhD Thesis, Lund University (2010)
En oupphörlig aktivitet... Observationer av aktiveringsmönster även i mental vila Resting-state networks Ett flertal olika interna nätverk existerar Nytta i klinisk fmri Patienter som ej kan följa anvisningar, barn, etc.
En oupphörlig aktivitet... Resting-state, motornätverk Resting state: Different subjects Mannfolk P. et al., 2010
Möjligheter... Förstå dynamiken i hjärnans energi- och syreförbrukning Mätning av syreextraktion och syreförbrukning Susceptibilitetskvantifiering Kvantifiering av kontrastmedel in vivo Resting-state networks i klinisk fmri
Tack Stig Holtås Linda Knutsson Elna-Marie Larsson Emelie Lindgren Peter Mannfolk Johan Olsrud Freddy Ståhlberg och...
Holger Sköldborn Ur: Vem är vem? (1965) Tack!