Transcript fMRI_leraren

Fysische principes van
functioneel hersenonderzoek
Prof. Dr. Jan Sijbers
Universiteit Antwerpen (CDE)
Universiteitsplein 1, N.1.13
2610 Wilrijk
Tel: 03 820 24 64
[email protected]
Overzicht
1. Geschiedenis: van NMR naar MRI tot fMRI
2. NMR: fysica van de protonen
3. MRI: magnetische resonantie beeldvorming
4. fMRI: functionele magnetische resonantie
beeldvorming
1
Een beetje geschiedenis
Van NMR naar MRI tot fMRI
→
→
Geschiedenis: NMR → MRI → fMRI
• NMR
= nuclear magnetic resonance
• Felix Bloch en Edward Purcell
- 1946: atoomkernen
absorberen en emitteren
RF straling
Bloch
Purcell
- 1952: nobel prijs Fysica
• NMR → MRI
3
Geschiedenis: NMR → MRI → fMRI
• MRI
- 1973: Lauterbur beschrijft
hoe NMR gebruikt kan
worden voor beeldvorming
- 1977: eerste clinische MRI
scanner wordt gepatenteerd
(Damadian)
- 1977: Mansfield beschrijft echo
planar imaging EPI, een techniek
om zeer snel beelden op te nemen
Lauterbur: Nobel Prijs 2003
4
Geschiedenis: NMR → MRI → fMRI
• fMRI
- 1990: Ogawa observeert het
BOLD effect met T2*; bloed
wordt meer zichtbaar bij
vermindering van zuurstof
- 1991: Belliveau observeert
functionele beeldvorming met
een contraststof
oxyhaemoglobine
- 1992: Ogawa + Kwong: eerste
fMRI beeld via BOLD effect
deoxyhaemoglobine
5
fMRI activatie
Flikkerend bord
OFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s)
Brain
Activity
Kwong et al., 1992
Time 
6
Principes van NMR
Atomen en kernspin
• sommige atoomkernen hebben een magnetisch
moment (1H, 31P, 13C, 19F)
• waterstofkern (1H)
• H-atomen zijn veelvuldig aanwezig in het lichaam
N
Z
8
Atomen en magnetische spins
 
B0  0
 
B0  0
9
Atomen in een magneetveld
B0 = 3 T = 30,000 gauss
(Aard magneetveld = 0.5 gauss)
10
Open en gesloten MR systemen
11
Atomen en magnetische spins
z

M0

B0
y
x
Resulterende magnetisatie
N
 E k BT

e
N
Voor elke 100.000 protonen bij 3T, zijn er 2 “extra”
gericht volgens het aangelegd magneetveld
12
Precessie in een magneetveld
z

M

B0
Larmor frequentie
0   B0
y
x
Magnetische dipool in een magneetveld
Analogie: tol in gravitatieveld
13
RF straling: zenden en ontvangen
z
• door insturen van een RF golf kan je
een magnetisatie onder een hoek
laten precesseren

B0
y
• een precesserende magnetisatie
genereert zelf een RF golf
x
0   B0
• deze straling wordt opgevangen
door een spoel
14
RF puls
• precesserende magnetisatie
• frequentie:
0 ~ B0
• magnetisatie staat stil in een assenkruis, draaiend met
frequentie 0
z

B0
y
x
15
Magnetische resonantie
• instralen met de resonantiefrequentie
0
- omklappen van de magnetisatie mogelijk
• instralen met een andere frequentie
- omklappen van de magnetisatie niet mogelijk
16
90o RF puls

M0

B0

B0
y
RF
y
z
z
x
Initiële positie
x

M xy
Tijdens 900 puls
17
T1 en T2
y
y
z
y
z
z
x
x
x
M
y
Mz
Mxy
z
x
T2
T1
t (ms)
18
T1 en T2
Mz
Mxy
weefsel A
100%
63%
CSF
weefsel B
lange
T2
vet
korte
T1
lange
T1
t (ms)
84
korte
T2
1400
t (ms)
19
T1 en T2
20
Effect op weefsels
T1 en T2 CONSTANTEN
T1 bij 1.5 T
(ms)
T2 bij 1.5 T
(ms)
85
Vet
Spierweefsel
860
45
Witte stof
(hersenen)
780
90
Grijze stof
(hersenen)
920
100
CSF
3000
1400
21
Principes van MRI
Gradiënt spoelen
Gradiëntspoelen produceren magnetische
veldgradiënten die gebruikt worden om ruimtelijke
informatie toe te voegen aan het MR signaal
• Snede selectie: enkel die spins exciteren in een
dunne snede van het object
• Frequentiecodering: de Larmor frequentie
afhankelijk maken van de plaats
• Fasecodering: de fase van het MR signaal
afhankelijk maken van de plaats
23
Snede selectie
24
Frequentiecodering
25
Beeldreconstructie

FFT
26
Samenvatting
Recept voor MR beeldvorming
1) plaats de patiënt in een groot magneetveld
• de patiënt wordt gemagnetiseerd
2) bestraal de patiënt met radiogolven
• schakel daarbij een magnetische gradiënt aan voor
snedeselectie
3) ontvang de radiogolven uitgezonden door de patiënt
• schakel magnetische gradiënten aan voor snedeselectie en ruimtelijke codering van de straling
4) digitaliseer de golven a.f.v. de tijd
5) reconstrueer het beeld
27
Functionele MRI
MRI versus fMRI
MRI : anatomie
fMRI: functies
29
T2 en T2* verval
Mxy
• inhomogeniteiten in het magneetveld
• snellere defasering van de
magnetisaties
T2
• sneller signaalverlies
T2*
t
30
Gedeoxygeneerd bloed
Geoxygeneerd bloed?
Geen signaalverlies…
Gedeoxygeneerd bloed?
Signaalverlies!!!
Huettel, Song & McCarthy, 2004, Functional Magnetic Resonance Imaging
31
MRI versus fMRI
MRI
fMRI
…
1 hoog resolutie beeld
fMRI:
veel laag-resolutie beelden
Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) signaal
Indirecte meting van neurale activiteit
 neurale activiteit
  bloed zuurstof   fMRI signaal
32
Opname van anatomisch beeld
• opname van een anatomisch T1-gewogen beeld
• hoge resolutie: vb: 1x1x1.25 mm3
• 64 snedes
• opnametijd: 5 min
33
Opname van functionele beelden
• opname van een functionele T2*-gewogen beelden
• 1 3D volume om de 2 sec (gedurende 5 min)
• lage resolutie (3x3x5 mm3)
…
first volume
(2 sec to acquire)
34
Activatie statistiek
Functionele beelden
~2s
fMRI
Signaal
(% verandering)
Tijd
Conditie
Statistische map
gesuperponeerd op het
anatomisch MRI beeld
Tijd
~ 5 min
35
Stimulatie protocol
tijdscurve van
activatie
% signal change
rusttoestand
images
stimulatie
haemodynamische
responsfunctie
36
fMRI signal
basic model
convolved model
Statistische tests voor fMRI
2D → 3D
38
Besluit
• MRI is een rijke beeldvormingstechniek
- protondichtheid
- relaxatieparameters (T1, T2, T2*)
- bloedstroming
- perfusie, diffusie
- BOLD
…
• geeft zowel anatomische als functionele informatie
• geen belangrijke schadelijke gevolgen bekend
39
Referenties
• http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/
• http://www.mritutor.org/mritutor/
• http://nl.wikipedia.org/wiki/MRI
40