4/15/2008

1

FYS-KJM 4740

MR-teori og medisinsk diagnostikk

Kap 12Diffusjon

• Albert Einstein (1905):

<r2> = 6Dt

En partikkels ‘mean displacement’ ved fri diffusjon:

D=‘diffusivitet’; funksjon av partikkel radius (R), temp (T) og viskositet (η)

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

x 10-6

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2x 10

-6

Vanndiffusivitet i humant vev er ca 3 x10-3 mm2/s

Det betyr at mean displacement √<r2> ved en ekkotid på 50 ms er ca 30 um

Molekylærdynamikken for partiler med diffusivitet D erbeskrevet ved Fick’s 2.lov (NB trykkfeil i kompendiet..):

Løsning i en dimensjon (x)

Ф=partikkel kons. per volumenhet (mol/liter)

Uttrykke i form av sannsynlighets-fordeling P(x,t)

Normalfordelt (Gaussisk) ved fri diffusjon

Diffusjons-vektet avbilding

4/15/2008

2

Bloch’s likning inkludert diffusjonsterm (se liknet med Fick’s 2. lov!):

Diffusjons-effekter påvirker bare transeversal magnetisering: MT=Mx+jMy

Dersom T2-relaksasjon ignoreres kan det vises at MT er gitt ved:

Introduserer ‘q-faktor’ (tilsvarende k-faktor i kap.2)

q=γGτ (enhet 1/lengde)

og erstatter MT(r,0) med protontettet ρ(r) gir:

Transversal magnetisering gitt ved Fourier transformasjonen tildiffusjons-fordelingen P(r,t)

Magnetic field-gradient

Random phasedistribution

Signal-loss(reduced echo ampl)

Hva skjer med MR-signalet ved diffusjon i et gradientfelt?

‘Stejskal-Tanner’ diffusjons-vektet sekvens

φ=γδG.r φ=γδG.r’ ∆φ=γδG.(r’-r)= γδG.R

Proton ved r diffundert til r’

Forutsetter δ << ∆

t=∆ og r=R

‘FT av gaussian = gaussian’

q=γGδ

4/15/2008

3

Ved fri diffusjon (Normalfordelt diffusjons-fordeling) har vi derfor et monoeksponsnielt forhold mellom MR-signal ogdiffusivitet D:

S(b,D)=S(0,D)exp(-bD)

‘b-faktor’ beskriver grad av diffusjons-vekting og er gitt ved:

b= γ2G2δ2∆

Estimation of Mean Diffusivity(Apparent Diffusion Coefficient, ADC)

4/15/2008 14

b (s/mm2)

S(b)

S(b)=S(0)exp(-bD)

Diffusjons-vektet (DV) MR• T2-kontaminering i DWI (T2 -’shine-

through’)Rel

. MR-s

igna

l

b (s/mm2)

b=0; forskjellig T2

eksempel: lang T2; høy ADC vs kort T2 lav ADC

DV kontrast avhenger av forskjeller i T2

T2-effekter i DV MRDet diffusjons-vektede MR-signalet er modulert av T2-relaksasjon:

Diffusjons-anisotropi

4/15/2008

4

Isotrop diffusjon

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

x 10-5

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5x 10-5

Isotrop = lik (uniform) i alle retninger

Anisotrop diffusjon

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

x 10-5

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8x 10

-5

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

x 10-5

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5x 10

-5

Dy=Dx Dy <> Dx

Anisotrop diffusjon

A=‘transformasjons-matrise’ (iso->anisotropi)

Dette er et eigenverdi-problem og prinsipal-aksene til den anisotrope diffusjons-distribusjonen (ellipse/ellipsoide) kanbestemmes ved finne eigenverdiene:

y = λx = Ax

Anisotrop diffusjon

λ =eigenverdier, ε = eigenvector

Løsning mhp λ gitt ved det(A-λI)=0

Anisotrop diffusjon Determine principal semiaxes (eigenvalues, eigenvactors)

bx

by

εx

εy

Dx,Dy,Dxyε1λ1, ε2λ2

4/15/2008

5

3D diffusjonstensor

D er symmetrisk (Dij=Dji, i,j=x,y,z); ikke-diagonale elementer er som regel <> 0

Siden D er symmetrisk kan den bestemmes ved å måle diffusjon i minst 6 retninger. Vanligvis måles diffusjonen i flere retninger for å bedre SNR.

Anisotrop diffusjon

zzyzxz

yzyyxy

xzxyxx

DDD

DDD

DDD

x

y

z

D00

0D0

00D

x

y

z

=D

Anisotrop diffusjon

Diffusjons faktoren b kan nå beskrives som produktet av en skalar b-verdi og en normalisert diffusjons-retning:

G =(gx, gy, gz)T ;gx2 + gy

2 +gz2 =1

Diffusjons-gradient b er også en 3 x 3 matrise

Anisotrop diffusjon

Diffusjons-vektet signal-attenuering er nå gitt ved dot-produktet b.D

Diffusjons-anisotropi

Signal-attenuasjonen kan nå beskrives som en N-vektor (for N-diffusjons retninger)

Vi kan nå bestemme D ved å løse et sett med N-likninger…

Calculating the tensor; Dij

4/15/2008 30

=

−

−

−

xz

yz

xy

zz

yy

xx

zNxNzNyNyNxNzNyNxN

zxzyyxzyx

zxzyyxzyx

N D

D

D

D

D

D

ggggggggg

ggggggggg

ggggggggg

S

S

b

S

S

b

S

S

b

222

222

...

222

ln1

...

ln1

ln1

222

22222222

22

22

11111121

21

21

0

0

2

0

1

Y H d

N=6: Exact analytical solution: dHY = ⇒

N>6: Linear least-squares fit (Singular Value Decomposition)

4/15/2008

6

Determine principal semiaxes -diagonalisation

λ3

2

1

00

0λ0

00λ

λ1,ε1λ2,ε2

λ3,ε3

x

y

z

zzyzxz

yzyyxy

xzxyxx

DDD

DDD

DDD UDUD diagT=

b0 b1000

Avibilding av diffusjons-anisotropi = ‘diffusjons-tensor

imaging’ (DT)

Rotasjons-invariante anisotropi-indekser

Rotationally invariant anisotropy properties:

4/15/2008 34

λ1,ε1λ2,ε2

λ3,ε3

Mean diffusivity: D= (λ1 + λ2 + λ3)/3Axial (principal) diffusivity: λ1

Radial diffusivity: (λ2 + λ3)/2

Rotationally invariant anisotropy properties:

4/15/2008 35

Fractional anisotropy (FA):

FA=0 0<FA<1

DTI kart

4/15/2008 36

Mean diffusivity (D), (λ1+λ2+ λ3)/3

Axial diffusivity (DA), λ1

Radial diffusivity (DR), (λ2+ λ3)/2

4/15/2008

7

DTI-kart

4/15/2008 37

Directional Color-coded FA, cDTIFractional anisotropy, FA

Fiber Tracking (tractography)

• Track principal eigenvector direction between successive voxels; group paths that constitute fiber tracts.

• Different approaches to select fiber tracts of interest:– Seed and target ROI– Exlude/include ROIs– ‘Exhaustive’ search (brute force)

• Tracking stop-criterias:– Too low FA-value– Incoherensce between successive

eigenvectors

FACT (Fiber Assignment by Continous Tracking)Mori et.al Ann. Neurol. 1999;45:265-269

MR-traktografi