Transcript Diffusion med MR

Diffusion med MR
Sekvenser, parametrar, analys och fallgropar
SMUC
Eskilstuna 9-10 maj 2014
Arvid Morell, PhD
Produktspecialist MR
Siemens Healthcare
Omfattning
• Pulssekvensen
– Känslighet för diffusion, EPI & TSE utläsning, b-värdet
– Susceptibilitet, rörelse, eddy currents
• Bilder och kartor
–
–
–
–
b0, b1000, DWI, ADC, eADC, Trace
T2 shine through, T2 blackout
Källor till varians
Pseudodiffusion, multi-komponent
• Sammanfattning
Kort-kort refresher DWI
Kort-kort refresher
Kort-kort refresher
Kort-kort refresher
Kort-kort refresher
Kort-kort refresher
Alla stått stilla
Ingen diffusion
Hög signal
Kort-kort refresher
Alla stått stilla
Ingen diffusion
Hög signal
Alla har rört sig
Diffusion
Lägre signal
Kort-kort refresher DWI
Diffusionskänsligt MR-eko
180°
90°
RF puls
GDiffusion
G
δ
δ
∆
Signal
TE
b-värdet
• b-värdet avgör diffusionsviktningen hos den
insamlade signalen
• Om b-värdet ökar kommer signalen att minska pga
diffusion
• ”hur mycket rörelse vi tillåter”
– Ju högre b-värde vi väljer, desto mer stilla måste
vattenmolekylerna hålla sig för att bidra till signalen
(behålla sin koherens)
b-värden
0
50
200
500
3T
Single shot SE-EPI
iso images (geo mean)
b-values: 0 + 6
Slices 25
Acq time 2:32
1000
1500
2000
EPI utläsning
90°
180°
RF puls
GDiffusion
GPhase
GRead
Signal
Det går vädigt snabbt, men…
…den urfasning som orsakas av susceptibilitet kommer att
fortplantas i ekotåget – varje eko blir lite sämre (T2*)
Susceptibilitet
Alla vävnader och material har olika magnetisk susceptibilitet
Dessa skillnader stör det annars homogena magnetfältet B0
De mest problematiska kombinatinerna är luft-vävnad och metall-vävnad
Luft i vävnad
Metall i vävnad
Susceptibility - metall
• Studiepatient med shunt (Strata)
• 3T, SE-EPI, single shot EPI readout
DWI (b = 1000)
ADC
T1W 3D TFE
T2W TSE
Susceptibility - metall
isoDWI (b = 1000)
ADC
Susceptibilitet – luft 1(4)
T2W TSE
T2W EPI b=0
Susceptibilitet – luft 2(4)
T2W TSE
T2W EPI b=0
Susceptibilitet – luft 3(4)
T2W TSE
T2W EPI b=0
Susceptibilitet – luft 4(4)
T2W TSE
T2W EPI b=0
Susceptibilitet
• Single shot EPI är den snabbaste och vanligaste
utläsningstekniken vid DWI – men också den mest känsliga vad
gäller susceptibilitetseffekter.
• Susceptibilitetsartefakter vid EPI kan reduceras genom
–
–
–
–
Parallel imaging
Segmenterad utläsning*
Half Fourier, half scan
Ökad bandbredd
Kortare ekotåg
*högre SNR (+ scantid)
• Byta till TSE utläsning?
– Refokuserande 180-pulser. Okänsliga för susceptibilitet
– Långsammare, därför större risk för rörelseartefakter
Segmenterad EPI utläsning
b=0
1.5T
”RESOLVE”
Acq time 1:55
Slices 20
b = 1000
Turbo/fast spin echo readout
90°
180°
180°
180°
RF pulse
GDiffusion
GPhase
GRead
Signal
Det går inte lika snabbt som EPI, men…
…den urfasning som orsakas av susceptibilitet
kommer motverkas av refokuseringspulsen (T2)
Susceptibilitet. TSE utläsning
Frågeställning kolesteatom, måste avbilda område som lätt ger
susceptibilitetsartefakter
1.5T
”HASTE”
Slice thickness 2 mm
Slices 9
Acq time 3:49
b = 600
b = 1000
Susceptibilitet. TSE utläsning
1.5T
HASTE
Image courtesy Johan Wikström
Eddy currents
• Strömmar som induceras i ledande ytor av gradienterna
• Motverkar gradienterna och stör dem
• Leder till geometriska störningar
– Shear
– Stretch / Compress
– Shift
• Beror på b-värdet (olika gradienter), inte helt lyckat…
• Olycklig kombination: EPI utläsningen känslig pga låg
bandbredd + mycket EC pga hög gradientbelastning
• Vad göra?
– Post processing
– …köp en bra scanner
Störd
diffusions
kodning?
Rörelse
• Orsakar ghosting
• Vad göra?
–
–
–
–
Se till att patienten verkligen ligger stilla (bekvämt?)
Snabb sekvens (EPI, ∼100 ms ”fryser” rörelserna)
Hjärttriggning (långsamt redan från början…)
Navigatoreko
Bilder och kartor
b0
T2W
b1000
DWI
Patient från studie om låggradiga gliom
ADC
eADC
Grundbilder: b0 and DWI
b0
T2W
b1000
DWI
b0 är T2-viktad
b1000/DWI is diffusionsviktad och
T2-viktad (samma TE)
Hyperintensitet i DWI beror på låg
diffusion eller lång T2 (hög T2-signal)
Hypointensitet i DWI beror på hög
diffusion eller kort T2 (låg T2-signal)
Fallgropar: T2 shine through och T2 blackout
Apparent diffusion coefficient ADC
Parametrisk karta
beräknad av b0 och b1000
ln(S)
ADC är hur snabbt
signalen avtar med b
0
1000
b [s/mm2]
Om lutningen är brant så
är diffusionen hög
ADC
Apparent diffusion coefficient ADC
Parametrisk karta
beräknad av b0 och b1000
ln(S)
ADC är hur snabbt
signalen avtar med b
0
1000
b [s/mm2]
Om lutningen är brant så
är diffusionen hög
Är ADC alltid linjär?
Ska man alltid använda b0 och b1000?
Är ADC oberoende av mätuppställningen?
ADC
exponentiell ADC
b0
T2W
b1000
DWI
ADC
eADC
eADC kartor
• Exponentiell ADC (även ”attenuation coefficient”)
• Områden med begränsad diffusion blir
hyperintensiva (ljusa)
– Tvärtom mot den normala ADC-kartan
– Lika som den diffusionsviktade bilden
• T2-shine through undertrycks
– Tvärtom mot diffusionsviktade bilder
– Lika som ADC
eADC karta
b1000, DWI
eADC
b0, T2W
eADC map
b1000, DWI
eADC
b0, T2W
eADC map
b1000, DWI
eADC
b0, T2W
eADC map
b1000, DWI
eADC
Oberoende av T2 –
men beroende av b!
b0, T2W
Trace-bilder
• Termen trace är inte helt lyckad då den inte används
konsekvent.
• Oftast det aritmetiska medelvärdet av ADC kartor
• Ibland (Siemens) det geometriska medelvärdet av
DWI bilder
Inom linjär algebra
är spåret (trace) av
en matris summan
av dess egenvärden
T2 shine through
• Ett område med låg diffusion kommer vara ljust I en
diffusionsviktad bild
• Men… områden med lång T2 kommer också att vara
ljusa!
• Hur kan vi skilja dessa områden åt? – titta på ADC!
T2 shine through
b=0
b = 1000
ADC
Images courtesy Johan Wikström
how come ADC
is normal while
T2 prolonged?
T2 shine through
DWI
b = 1000
ADC
Images courtesy Johan Wikström
T2 shine through
ADC = lutning
DWI = signal intensitet
ln(S)
0
ln(S)
1000
b [s/m2]
0
1000
b [s/m2]
Om alla områden hade samma signal vid b0, så skulle b1000 alltid visa
skillnaden i diffusion
Signalen i den diffusionsviktade bilden påverkas av signalen i b0-bilden
b0 är T2-viktad
b1000 är både T2- och diffusionsviktad
T2 shine through
ln(S)
T2-kurva (TE)
Diffusions-kurva (b)
ln(S)
0
TE
t [ms]
0
Grad av T2-viktning
Vi börjar med den signal vi råkar ha vid TE
– sedan lägger vi till diffusionskodningen
Den initiala signalen beror av T2 (and PD, T1?)
1000
b [s/m2]
T2 blackout
• ADC bestäms av lutningen – om mätpunkten är för
nära brusnivån så kommer den uppskattade
lutningen att bli fel
Diffusion decay curves (b)
ln(S)
High b0 signals
ln(S)
Low b0 signals
noise level
noise level
0
1000
b [s/m2]
0
1000
b [s/m2]
Vad händer vid väldigt höga b-värden?
T2 blackout
• Ett område med låg signal T2-viktad bild kommer att
tilldelas ett lågt ADC-värde, oberoende av den
faktiska diffusionen
ln(S)
noise level
0
1000
b [s/m2]
T2 blackout
Patient med infarkt. Susceptibilitetseffekt vid blödning
b=0
b = 1000
ADC
Images courtesy Johan Wikström
ADC, modell av fri diffusion
• Fri diffusion
– Antar fri molekylär diffusion i homogent medium
– Endast beroende av temperatur, viskositet, partikelstorlek
– Molekylernas förflyttning beskrivs av 3D Gaussisk
fördelning
– Monoexponentiellt signal-avtagande
• Fri diffusion i vävnad?
–
–
–
–
Makromolekyler, cellmembran, fibrer
Anisotrop diffusion
Perfusionskomponent / pseudoperfusion
Monoexponentiellt uppförande?
b = 1000
Anisotropi diffusion, DWI
b = 2000
mean
mean
Anisotrop diffusion
• Diffusion mäts i en riktining i taget
• Isotrop diffusion – en riktning räcker
– GM, CSF
• Anisotrop diffusion – mät i tre riktningar och beräkna
medel-diffusionen
– Diffusion är mycket anisotropt i WM
Geometriskt medel
Aritmetiskt medel
ADC variabilitet
• Hårdvara
– B0
– Gradienter
– Leverantör
• Parametrar och modeller
– Val av b-värden
– Mono eller biexponentiell anpassning
ADC variabilitet: hårdvara
• Sasaki 2008 Radiology: ADC i GM och WM
•
•
•
•
•
•
4-9% skillnad i ADC
Individ (12 personer)
Leverantör (4)
Spol-typ (Multikanal, quadrature)
B0 (1.5T, 3T)
Scanner (10 modeller)
alla fem faktorer
signifikanta!
• Chenevert 2011 JMRI: ADC i fantom med isvatten
• Mellan system inom ±5%
• Reproducerbarhet inom ±5%
• 20 scanners, tre leverantörer
• Levine 2013 ISMRM #3197: ADC in CSF
• Significant skillnad i ADC mellan leverantörer
• 15 patienter, tre leverantörer
ADC variabilitet: hårdvara - B0
• Sasaki 2008 Radiology: ADC i GM och WM
• ADC 3-5% lägre vid 3T
• 12 individer
• B0 (1.5T, 3T)
• Huisman 2006 European Radiology: ADC i GM och WM
•
•
•
•
ADC values 2-10 % lägre vid 3T than 1.5T (högre FA)
12 individer undersökta vid 1.5T och 3T (inom 2h)
B0 (1.5T, 3T)
b= 0, 1000, 12 riktningar
ADC och perfusion
• Signalens avtagande kan hänföras till två processer;
– Molekylär diffusion
– Perfusion
• Terminologi
”sann” diffusion
Vatten i blod som rör
sig i slumpmässigt
orienterade kapillärer
– IVIM: intravoxel incoherent motion
– Pseudodiffusion
ADC(brain)∼1⋅10-3 mm2/s
-3 mm2/s
Pseudo-ADC(brain)∼10⋅10
– Perfusion fraction
• Störst påverkan vid låga b-värden
– Genom att använda både låga (<200 s/mm2) och höga bvärden så kan man separera de två komponenterna
– Med b=0 & 1000 kan (kommer?) man överskatta ADC
ADC och perfusion
• Den vanliga ADC-mätningen består av två mätpunkter;
• ADC är lutningen av den linjära anpassningen (lin-log plot)
ln(S)
ln(S(0))
ln(S(1000))
0
1000
b [s/mm2]
ADC och perfusion
• Den vanliga ADC-mätningen består av två mätpunkter;
• ADC är lutningen av den linjära anpassningen (lin-log plot)
• Dessa mätpunkter leder till en perfusionsinducerad överskattning av ADC
ln(S)
Överskattad ADC
”sann” diffusion
ln(S(0))
Fallgrop!
ln(S(1000))
0
∼500
1000
b [s/mm2]
ADC and perfusion
• Den vanliga ADC-mätningen består av två mätpunkter;
• ADC är lutningen av den linjära anpassningen (lin-log plot)
• Dessa mätpunkter leder till en perfusionsinducerad överskattning av ADC
ln(S)
perfusion
fraction!
Fallgrop!
…eller
möjlighet?!
ln(S(1000))
0
∼500
1000
b [s/mm2]
ADC, en enda komponent?
• Beroende på vävnadens struktur så kommer den faktiska molekylära
diffusionen att avvika från fri diffusion
• Den observerade signalen kommer att vara en kombination av flera
diffusionskomponenter
ln(S)
0
b [s/mm2]
ADC, en enda komponent?
• Beroende på vävnadens struktur så kommer den faktiska molekylära
diffusionen att avvika från fri diffusion
• Den observerade signalen kommer att vara en kombination av flera
diffusionskomponenter
ln(S)
Välja bvärden…
0
Välja
modell…
b [s/mm2]
Sammanfattning
• Välja sekvens
– EPI, segmenterad EPI, TSE
• Välja bildtyp
– DWI, ADC, eADC, trace, T2 shine through, T2 blackout
• Välja b-värden
– 0 & 1000?
• Välja modell
– Pseudodiffusion, monoexponentiell, multi-komponent
• ADC variabilitet och skillnader
– Stabilitet, medvetenhet
Tack för uppmärksamheten!
Och tack till:
Atle Bjørnerud
Britt-Marie Bolinder
Elna-Marie Larsson
Susceptibilitet
Segmenterad EPI
Multi-komponent
T2 shine-through
Perfusion fraction
IVIM
Johan Wikström
T2-blackout
Hårdvaruberoende
Magnus Karlsson
Free diffusion
Trace
TSE
Monoexponentiell
ADC
DWI
SE-EPI
Geometriskt medel
eADC
b-värde
Parallel imaging
Anisotropi Begränsad diffusion
Aritmetiskt medel