Víz: az elfelejtett molekulaDiffúziós jelenségeken alapuló képalkotás (DWI, DTI)

Dr. Jakab AndrásDr. Berényi Ervin

Multimodális képalkotás az idegtudományban kreditkurzus 2010 (c)

„Az elfelejtett molekula”

Különleges

tulajdonságok:

•H-kötések

•Más poláris molekulákhoz

„kötődnek” (fehérjék?)

•Felületi feszültség

•Magas hőkapacitás

•Az oxigén oldhatósága a

vízben

„Az elfelejtett molekula”A víz a biológiai

szövetekben

Kémiai Nobel –díj 2003: Peter Agre (aquaporins), Roderick MacKinnon (K-csat.)

Víz: mérések és képalkotás?

T1 relaxációs idő

T2 relaxációs idő

Protondenzitás

Diffúziógátlás, diffúziós

együttható

Diffúzió iránya

Diffúzió anizotrópiája

Diffúziós térképezés

Más atommagok

„Konvencionális MRI”

Diffusion-weighted imaging

Diffusion tensor imaging

Diffusion spectral

imaging, HARDI

MR spectroscopy

Diffúzió: fizikai alapok1827, Robert BrownElőször: „vis vitalis”,

később szervetlen részecskékre is kimutatta

Véletlenszerű mozgás„Hőmozgás” F.M.Exner, 1900

A diffúzió: fizikai alapok1905: „a csodálatos év”

“On a Heuristic Point of View on the Creation and Conversion of Light”(17 March 1905)(Photo-Electric Effect) Nobel prize in physics, 1921

“On the Electrodynamics of Moving Bodies” (30 June 1905)

“Does the inertia of a body depend on its energy content?”(27 September 1905)(Theory of Special Relativity) E = mc²

“Investigation on the Theory of the Brownian Movement: On the motion of small particles suspended in liquids at rest …”(11 May 1905)

Albert Einstein, 1905 körül

Einstein, 1905A hőmérséklet molekuláris-

kinetikai elmélete: Brown mozgás <- -> molekuláris diffúzió

RANDOM WALK

0

?

Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

Diffúzió súlyozott képalkotás (DWI)Le Bihan & Breton, CRASS, 1985Intravoxel incoherent motionKépalkotás közben molekuláris

elmozdulás = az MRI jel befolyásolása

Térben változó mágneses tér alkalmazása a „spin echo” MRI képalkotás során: a hely kódolása

Egy helyben álló vs. Mozgó részecskék

Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

Diffúzió súlyozott képalkotás képi kontrasztjaHa a vizsgálat közben

elmozdulnak a részecskék: kisebb jel keletkezik

Ha lassú a diffúzió, magasabb jel („több marad a vizsgált területen”)

DWI képalkotás: amit tudni illikDiffúzió súlyozás nagysága (b-faktor)

◦ Defókuszáló, refókuszáló gradiens nagysága (erősség, alak)

◦ Időtartama, szimmetria, időbeli eltérés◦ Diffúzió kódoló grádiens térbeli iránya! (-> DTI!)

◦ Mit tudunk meg a DWI képekről? ◦ ADC = látszólagos diffúziós együttható

DWI alkalmazásaDiffúziógátlás: sejtpusztulás,

membránintegritás, energiaellátottságKorábban, mint a „strukturális” eltérés (T1 v.

T2-n)Diffúzió és perfúzió alkalmazása: stroke

imaging, penumbra meghatározása (ischaemiás stroke: elzárt agyi ér)

DWI: működnek a sejtek???

Perfúzió: kapnak vért a sejtek?

Miért különleges a szöveti diffúzió?A tér különböző irányába eltérő

nagyságot mutat = anizotróp

Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

Milyen diffúzió létezik?Szabad diffúzió (izotróp)Gátolt diffúzió („restricted”)Akadályozott diffúzió („hindered")

Diffúziós irány megjelenítése A biológiai diffúzió anizotróp, a tér egyes irányába eltérő

diffúziós együtthatót mutat. A diffúzió-súlyozó mágneses tér „irányában” legnagyobb a

nagysága

Herpes encephalitisforrás: emedicine.medscape.com

Egészséges agy

ACA strokeforrás: RADsounds Wiki

Diffúziós tenzor (?) képalkotás Sokféle irányú diffúzió súlyozó grádiens = „sok irányból

megvizsgáljuk a diffúzió nagyságát”

Peter Basser (NIH)

TENZOR: a megjelenítés kulcsa

A „diffúziós térképezés”

diffúzió súlyozott felvételek készítése

voxelen belüli diffúzió térbeli karakterisztikája

tenzor illesztés a diffúzió jellemzésére

A tenzoriális információ ábrázolása szürkeskálás v. egyéb skaláris

képeken

Mi szükséges a diffúziós tenzor képalkotáshoz?

-Több irányú diffúzió súlyozó grádiens alkalmazása a képalkotás (SS EPI) során

- legalább 6 irány

- ajánlott: 24-32 irányból

- a kapott sokdimenziós adathalmaz számítógépesfeldolgozása, színkódolt ésegyéb számolt képek

- együttes megjelenítés másképalkotó módszerekkel

Mit tudunk mérni a DTI-vel? DIFFÚZIÓ NAGYSÁGA (hasonlóan a DWI-hez): ADC

Diffúzió rendezettsége, anizotrópia mértéke (FA) Diffúzió iránya (Color encoded map) Diffúzió nagysága az axonlefutással egy irányban (parallel

diffusivity) Diffúzió nagysága az axonlefutásra merőlegesen

(perpendicular diffusivity)

Fehérállomány: mit tudunk mérni a DTI-vel?

Anizotrópia ++

Anizotrópia +Anizotrópia -Diffúzió -

Anizotrópia - -Diffúzió ? / n

Anizotrópia - -Diffúzió - -

Diffúziós traktográfia Tract = pálya Diffúziós tenzor adatok alapján a fehérállományi

pályák háromdimenziós megjelenítése Agyi összeköttetések (?) Számítógépes adatfeldolgozás és megjelenítés

Diffúziós traktográfia: példák Tractus corticospinalis megjelenítése

Diffúziós traktográfia: példák Egyéb pályák megjelenítése

Right handed Left handed

NeuroImage 35 (2007) 1064–1076

Fasciculus arcuatus megjelenítése: jobb és balkezesek esetén

Konnektivity (c) Jakab A.

A diffúziós tenzorokon túl… A diffúzió irányának pontosabb feloldása = HARDI (high

angular resolution diffusion imaging) Diffúzió súlyozó grádiensek akár 50-200 irányból is A rostlefutás pontosabb ábrázolása: crossing fibers esetén ODF, Q-ball, Diffusion spectral imaging, etc.

DTI és a multimodalitás DTI és más, pl. strukturális MRI képek együttes

megjelenítése Térbeli illesztés, koregisztráció szükséges TÖBBLETINFORMÁCIÓ: fehérállományi képletek

ÖSSZEFOGLALÁS A MÓDSZEREKRŐL

T1, T2-súlyozott MRI: a hidrogén protonok relaxációs ideje a szöveti környezettől függően

Diffúzió súlyozott MRI (DWI) : a diffúzió nagysága, irányultság nélkül

Diffúziós tenzor MRI (DTI): a diffúziós iránya, anizotrópiája

Traktográfia: pályák lefutása

Diffusion spectrum imaging (DSI): diffúzió térbeli karakterisztikája, egy térrészen belüli többszörös rostpopulációk megjelenítése

A DTI és egyéb módszerek adatait kombinálni lehet más képalkotó módszerekkel (T1 MRI, CT, PET, stb.)

DTI: Klinikai példák, felhasználás

DTI alkalmazásai 1.Fehérállomány strukturája

◦Egészséges fejlődés megjelenítése : megvan-e mindene??

◦Tumorok által széttolt, stb. pályák = anatómia

Szöveti integritás◦Demyelinisatio (Sclerosis multiplex)◦Axonális károsodás: Wallerian degeneráció◦Oedema (nem specifikus)◦Beteg szövetek jellemzése: neuroonkológia

DTI a neuroonkológiában• DTI szerepe a tumorok képalkotó

diagnosztikájában– FA csökkenése: fehérállomány tumoros

infiltrációja / citotoxikus oedema– Tumor FA: cellularitás, proliferációs aktivitás– „current literature”:

• Frakcionális anizotrópia: Cellularitás és proliferációs aktivitás (MIB-2)• MRS és DTI: Proliferációs aktivitás (Ki-67)• FA: Low grade vs. Anaplasticus glioma• ADC hisztogramok: 1p/19q l.o.h. oligodendrogliomákban• „Oligo-like” és „astro-like” komponens megjelenítése• ADC hisztogram: Terápiás válasz (Bevacizumab), progressziómentes időtartam

becslése

– fehérállományi képletek megjelenítése kolorizált FA képeken, ezek helyzete a tumorhoz

– FEJLŐDŐ TUDOMÁNYÁG, ALAPKUTATÁS SZEREPE!

mean FA: 0.1887

mean ADC(x1k): 1.4791

DTI a neuroonkológiábanA. Jakab, M. Emri, P. Molnár, E. Berényi. Glioma grade assessment by using histogram analysis of diffusion tensor imaging-derived maps. Neuroradiology. 2010 Sep 21.

Az agytumor grádusa:Alacsony? (WHO I-II) Magas? (WHO III-IV)

DTI: klinikai példák

• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

• Forrás: Lee et al. Diffusion-Tensor MR Imaging and Fiber Tractography: A New Method of Describing Aberrant Fiber Connections in Developmental CNS Anomalies

 Cerebral palsy in a 20-month-old girl with spastic hemiplegia.

• Forrás: Berényi E, Jakab A

Kisgyermek, epilepsiás rohamok

Ohdo syndroma

DTI: Érdekességek

NeuroImage 37 (2007) S109–S115

STN és DTI

Convection Enhanced Delivery

Köszönöm a figyelmet!