Obrazowanie funkcjonalne

METODY WIZUALIZACJI I PRZYŻYCIOWEJ ILOŚCIOWEJ OCENY LOKALNEGO POZIOMU METABOLIZMU I LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI W MÓZGU

Metody wykorzystujące jądrowy rezonans magnetyczny

1. MRJ: techniki „diffusion weighted imaging” i pochodne (mapy współczynnika dyfuzji, tensor dyfuzji etc)

1. Zastosowanie tensora dyfuzji

2. Czynnościowe obrazowanie oparte o dyfuzję

2. MRJ: „perfusion weighted imaging”

3. fMRJ TECHNIKA „BOLD” (blood oxygenation level dependent)

4. Zlokalizowana spektroskopia MRJ

Metody z użyciem izotopów i znakowanych nimi substancji

1. SPECT (Single photon emission computed tomography)

2. PET (positron emission tomography)

Podstawy MRJzasadnicza terminologia

• Niezerowy spin jądrowy: 1H, 13C, 15N, 17O,19F, 23Na i 31P

• Magnetyzacja podłużna• Równanie precesji Larmora• Cewka radiowej częstotliwości (RF)• Sygnał zaniku swobodnej indukcji FID• Relaksacja podłuzna spin-sieć (stała czasowa T1)• Relaksacja poprzeczna spin-spin (stała czasowa

„rozfazowania” - T2)• Echo spinowe

Częstość precesji Larmora

= B

Częstość precesji dla wodoru przy 1T = 42,58 MHz

Relaksacja namagnesowania po wyłączeniu impulsu

90o

Relaksacja składowej poprzecznej –> utrata koherencji

Powrót M do kierunku równoległego do Bo

Czasy relaksacji T1 i T2

Składowa poprzeczna

0MT ze stałą czasową T22T/

T M)(M tet

Składowa podłużna

ML wraca do M ze stałą czasową T1)1( M)(M 1T/

Ltet

Oddziaływanie spin-sieć

Oddziaływanie spin-spin

0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Mi

t [ ms ]

ML, M

T

Zasada i sposób wywołania echa spinowego

• czas repetycji (TR) jest to czas, który upływa pomiędzy jednym a drugim (kolejnym) impulsem π/2

• czas echa (TE). jest to czas jaki upływa od impulsu π/2 do pojawienia się echa a określa się go poprzez ustalenie czasu w jakim podany będzie impuls π, który wyznacza połowę TE.

• T1 waha się od 300 do 3000 msek • T2 dobierany jest w granicach 30 do 150 msek.

T1 = „czas” relaksacji podłużnej, T2 = „czas” relaksacji poprzecznej. T1 waha się od 300 do 3000 msek T2 dobierany jest w granicach 30 do 150 msek.

•

Spiny „rozfazowują się” na skutek:a) niejednorodności pola magnetycznego oraz („leczymy” to echem spinowym) – b) przez wzajemne oddziaływania spinów (oddziaływanie spin-spin).

FID odzwierciedla wirujacy WEKTOR MAGNETYZACJI

Podstawowe typy kontrastu

• Uzyskiwane dobieraniem różnych czasów tzw. repetycji (TR – między impulsami „π/2”) i czasem echa (TE – impulsy „π”) – Ważenie T1– Ważenie T2– Ważenie PD (gęstością protonową)

• Uzyskiwane dodatkowymi silnymi gradientami („dyfuzyjnymi” przed i po impulsie „π”)– Ważenie Dyfuzją (DW)

ZASTOSOWANA SEKWENCJA

JAKI RODZAJ KONTRASTU OTRZYMAMY

W REZULTATACIE

TR dłuższy (np. 2000 msek.)

TE krótszy (np. 20 msek.)

Ważenie PD(od. ang. „proton density”, =

„gęstość protonowa”)

TR krótszy (np. 500 msek.)

TE krótki (np. 20 msek.)Ważenie T1

TR dłuższy (np. 2000 msek.)

TE dłuższy (np. 100 msek.)

Ważenie T2

„Orkiestracja” impulsu RF i gradientów

R F

G y

G x

G z

t

t

t

t

Buy SmartDraw !- purchased copies print this document without a watermark .

Visit www.smartdraw .com or call 1-800-768-3729.

Gy – „gradient kodowania w fazie”Gx – „gradient odczytu (readout gradient)” (FID)

= gradient kodowania w częstotliwości

FID „odczytywany” czyliw fazie trwania gradientu odczytu

Obrazowanie dyfuzji MR

• Kontrast DW (Diffusion weighted images)

• Anizotropia dyfuzji

• Tensor dyfuzji

• Fibertracking

• równanie dyfuzji Einsteina-Smoluchowskiego

• Einstein Albert. 1905 – "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte

Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" ("On the Motion--Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat--of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid") Annalen der Physike, 17, 549-554

• Von Smoluchowski Maryan. 1906. – „Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekulärbevegung und der

Suspensionen” Annalen der Physike 21:756-780.

t

Dys

tans

dyf

uzji

1905

Dtrrrr oo 6))((

(rocznica w 2005 !)

Przedrzemaliśmy w letargu wiele dziesiątków lat, podczas, gdy świat pędził dalej w szalonym tempie. Czas najwyższy żebyśmy się

zorientowali, że żyjemy w XX wieku, i żebyśmy sobie kuli broń, którą walczy się w czasach dzisiejszych, t.j. wyszkolenie w naukach ścisłych,

znajomość praw przyrody, umiejętności techniczne, obrotność gospodarską."

/M. Smoluchowski/

•Von Smoluchowski Maryan (1872-1917) Profesor uniwersytetu we Lwowie

(od 1900) i UJ (od 1913).

XXI

15 sek 1 min

4 min

16 min

Współczynnik D dla swobodnej dyfuzji wody w temp. 37 oC* wynosi 3 x 10-9 m2/sek (3 x 10-3 mm2/sek) co daje przeciętny dystans dyfuzji 17m na 50 ms * dla temp. pokojowej 20 oC* D = 2,2 x 10-3 mm2/sek

Cząsteczka wody w czasie 50 msek „podróżuje” ok. 10m (Le Bihan i wsp. JMRI 13:534; 2001)

Z rozkładu Gaussa wynika, że ok. 32% molekuł przesunęło się o co najmniej taki dystans a tylko 5% osiągnęło więcej niż 34 m (2x więcej)

SE DTI sequenceSE DTI sequence

s lic e

p h a s e

re a d

e c h op

G r

G d G d

G r

G s G s

Restrykcja i anizotropia dyfuzji

Wykorzystując restrykcję dyfuzji w MRJ możemy „zejść” z rozdzielczością obrazowania do poziomu komórkowego nie ingerując w procesy chemiczne i metaboliczne !

•„restriced diffusion” 1974 (Cooper, Chang, Young i wsp.)

• Przesunięcie fazy magnetyzacji poprzecznej wywołane gradientem dyfuzyjnym wzdłuż osi „z” jest dane wzorem:

1

0

1)( zGdtGzd

G = wartość gradientu= współczynnik magnetogirycznyδ = czas trwania impulsu

Sekwencja Stejskala-Tannera

• Następny gradient dyfuzyjny w tej samej osi „z” po pulsie 180o () powoduje „odwrotne” przesunięcie fazy magnetyzacji poprzecznej:

22 )( zGdtGzd

• Zdefazowanie „netto” po obu gradientach w osi „z” wyniesie:

22 )( zGdtGzd

1

0

1)( zGdtGzd

)()( 12 zzGd netto

21,5 ms

s lic e

p h a s e

re a d

e c h op

G r

G d G d

G r

G s G s

bADCatenuacja eA

S

S 0

)3/(222 Gb [s/mm2]

IZOTROPIA – ANIZOTROPIA

• Jeśli dyfuzja jest izotropowa - wystarczy „skalarna” wartości współczynnika dyfuzji ADC

• Jeśli dyfuzja jest anizotropowa - konieczne wskazanie jej wartości w różnych kierunkach w przestrzeni np. dla trzech ortogonalnych osi „układu laboratoryjnego” x,y,z,

• Stosując sekwencje „dyfuzyjne” w odpowiednich gradientach dla poszczególnych osi możemy obliczyć odpowiednio współczynniki dyfuzji: ADCx ADCy ADCz

Rdzeń kręgowy sag ref, DW, ADC (apparent diffusion coefficient)