Transcript s/mm 2

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 MRJ
zasadnicza terminologia
• Niezerowy spin jądrowy: 1H, 13C, 15N, 17O,19F, 23Na i
31P
Częstość precesji Larmora
• Magnetyzacja podłużna
w=gB
• 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 dla wodoru przy 1T = 42,58 MHz
Relaksacja
namagnesowania po
wyłączeniu impulsu
90o
Powrót M do kierunku
równoległego do Bo
Relaksacja składowej
poprzecznej –>
utrata koherencji
1.0
Mi
Czasy relaksacji
T1 i T2
0.8
0.6
ML,
0.4
MT
0.2
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
t [ ms ]
Składowa podłużna
Oddziaływanie spin-sieć
ML wraca do M ze stałą czasową T1
Składowa poprzeczna
ML (t )  M (1  et / T1 )
Oddziaływanie spin-spin
M T  0 ze stałą czasową T2
MT (t )  M  et / T2
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.
•
FID odzwierciedla wirujacy WEKTOR MAGNETYZACJI
Spiny „rozfazowują się” na skutek:
a) niejednorodności pola magnetycznego oraz („leczymy” to echem
spinowym) –
b) przez wzajemne oddziaływania spinów (oddziaływanie spin-spin).
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
FID „odczytywany” czyli
w fazie trwania gradientu odczytu
RF
t
Gz
t
Gy
Gx
t
Buy SmartDraw !- purchased copies print this
document without a watermark .
Visit www .smartdraw .com or call 1-800-768-3729.
t
Gy – „gradient kodowania w fazie”
Gx – „gradient odczytu (readout gradient)” (FID)
= gradient kodowania w częstotliwości
Obrazowanie dyfuzji MR
•
•
•
•
Kontrast DW (Diffusion weighted images)
Anizotropia dyfuzji
Tensor dyfuzji
Fibertracking
1905
(rocznica w 2005 !)
   
(r  ro )(r  ro )  6Dt
Dystans dyfuzji
• równanie dyfuzji Einsteina-Smoluchowskiego
• Einstein Albert. 1905
t
– "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, 549554
• Von Smoluchowski Maryan. 1906.
– „Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekulärbevegung und der
Suspensionen” Annalen der Physike 21:756-780.
•Von Smoluchowski Maryan
(1872-1917) Profesor uniwersytetu we
Lwowie (od 1900) i UJ (od 1913).
Przedrzemaliśmy w letargu wiele dziesiątków lat, podczas, gdy świat
pędził dalej w szalonym tempie. Czas najwyższy żebyśmy się
zorientowali, że żyjemy w XXI
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/
1 min
15 sek
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 17m na 50 ms *
dla temp. pokojowej 20 oC* D = 2,2 x 10-3 mm2/sek
Cząsteczka wody w czasie 50 msek „podróżuje” ok.
10m (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 sequence
 

Gs
e cho
p
Gs
s lic e
  
 
pha s e
 
Gd
Gd
re a d
Gr

Gr





Restrykcja i anizotropia dyfuzji
•„restriced diffusion” 1974 (Cooper, Chang, Young i wsp.)
Wykorzystując restrykcję dyfuzji w MRJ możemy
„zejść” z rozdzielczością obrazowania do poziomu
komórkowego nie ingerując w procesy chemiczne i
metaboliczne !
• Przesunięcie fazy magnetyzacji poprzecznej wywołane
gradientem dyfuzyjnym wzdłuż osi „z” jest dane wzorem:

d (1 )  g  Gz dt  g G z1
0
G = wartość gradientu
g = współczynnik magnetogiryczny
δ = czas trwania impulsu
Sekwencja Stejskala-Tannera
• Następny gradient dyfuzyjny w tej samej osi „z” po pulsie 180o ()
powoduje „odwrotne” przesunięcie fazy magnetyzacji
poprzecznej:
 
d ( 2 )  g
 Gz dt  g G

z2
• Zdefazowanie „netto” po obu gradientach w osi „z” wyniesie:

d (1 )  g  Gz dt  g G z1 d ( 2 )  g
0
 
 Gz dt  g G
z2

d (netto )  g G ( z2  z1 )
 21,5 ms
 

Gs
e cho
p
Gs
s lic e
  
 
pha s e
 
Gd
Gd
re a d
Gr
Gr






S
bADC
 Aatenuacja  e
S0
b  g G  (   / 3)
2
2
2
[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)