Modern MRI módszerek az idegsebészetben - PTE ÁOKaok.pte.hu/docs/radio/file/09_fMRI_klinikai_alkalmazas.pdf · 3 MRI uses hydrogen protons for imaging • The human body is composed

1

Modern MRI módszerek az idegsebészetben

2

Modern mágneses rezonanciás módszerek alkalmazása a klinikumban

• Általános áttekintés, MRI alapjai

• Funkcionális MRI alapjai

• Funkcionális MRI idegsebészeti alkalmazása

• DTI, fMRI kombináció, neuronavigáció

• Proton spektroszkópia klinikai alkalmazása

• Vér-agy-gát funkció mérése MRI-vel

3

MRI uses hydrogen protons for imaging

• The human body is composed predominantly of 12C, 16O, 1H, és14N

• Among these, hydrogen atom is the only one visible by MRI

• Hydrogen occurs in the highest degree mostly in water (H2O)

• 99% of MRI imaging is proton imaging

4

Single proton

++++

++

The proton contains The proton contains positive charge. The positive charge. The spinning positive spinning positive charge produces charge produces electromagnetic field.electromagnetic field.

So, the proton can be regarded as a tiny spinning magnetSo, the proton can be regarded as a tiny spinning magnet..

5

6

Ratio of paralel vs. antiparalel alignement is 100 006/100 000 per Tesla

7

The protons precess at a charateristic frequency in a static

magnetic field (Larmor frequency)

ω = γ/2π Βο

ω = Larmor frequencyγ = magnetic susceptibilityBo = static magnetic field

8

Larmor frequency at 1.5 Tesla

9

Tacoma Narrows bridgeResonance frequency

10

Protons are excited with RF

Lower energylevel(Paralel)

Higher energylevel(Antiparalel)

Radiofrequency pulse = energyω = Larmor frekvencia

11

After excitation protons return tosteady state (equilibrium)

RF emitted by theexcited proton systemcan be detected(Antenna)

T1 (s)T2 (ms)

12

MRI relaxation times• T1 relaxation (sec) –How fast do protons

reach equilibrium after excitation (paralel vs. antiparalel)

• T2 relaxation (msec)– How fast do the RF emitted by the proton system decay afterexcitation

• T2* relaxation – T2 relaxation speeded upby local magnetic field gradient

• T2* relaxation – Functional MRI

13

After excitation protons return tosteady state (equilibrium)

RF emitted by theexcited proton systemcan be detected(Antenna)

T1 (s)T2 (ms)

14

ImagingRadiofrequency pulse emitted by the sample protons

are decoded spatially

15

Fouriertranszform

ImagingFourier transform of RF waves

16








17

HbO2

HbO2

HbO2

HbO2

Vascular response to activation

dHb

dHb

dHb

dHb

O2 metabolism

dHb

dHb

HbO2

HbO2

dHbHbO2

HbO2

dHbdHb

HbO2

Blood flow

HbO2

HbO2

HbO2

HbO2

HbO2HbO2

HbO2 HbO2

HbO2

HbO2HbO2

HbO2

HbO2

HbO2

[dHb]

dHb = deoxyhemoglobinHbO2 = oxyhemoglobin

capillary

Blood volume

HbO2

HbO2HbO2

neuron

18

BOLD-signal origin

Neuron activation Metabolism

Blood flow

Blood volume

[dHb]BOLDsignal

Measuring neuronal activity through haemodynamicrespons (indirect detection!!)

Deoxyhaemoglobin (dHb) paramagnetic

BOLD-signal: T2* change (dHb) in the active brainregion

19

BOLD vs. Echo time

1–5% change

BOLD signal changes only 1-5%Low signal to noise ratioRepetitive measurements (5-10)Alternating rest and active conditions

20

Repetitive FMRI experiment

• The examined subject should perform a task or thesensory system is stimulated (on)

• Alternating rest condition (off)

• Images are obtained through the experiment in every 1.5-3 sec

• Image analysis tries to find those voxels of which BOLD signal change follow stimulus pattern

BOLD-signalchange

idı

Stimuluspattern

on

off

on

off

on

off

on

offoff

21

Activation map and BOLD signal change

Off Off Off OffOn On On On

Scan Number

Sig

nal I

nten

sity

22

FMRI FMRI experimentexperiment: : analysisanalysis

PasszPasszíívv

AktAktíívvT2*T2*--weightedweighted signalsignal

ModelModel haemodynamichaemodynamic responseresponse (HRF)(HRF)

23

Funkcionális MRI klinikai alkalmazása

• Wada-teszt kiváltása, temporalis epilepsziában dominancia vizsgálata memória vesztés kockázatának céljából

• Elokvens agyi területekhez (Broca, Wernicke, sensomotoros cortex etc.) közel elhelyezkedı tumorok (idegsebészeti mőtétek tervezése)

• Stroke-ban agyi reorganizációhoz szükséges idı becslése (nagyobb ipsilateralis motoros aktiváció, nagyobb esély a javulásra)

• Sclerosis multiplexben betegség stádiumok objektív kimutatása (primér progresszív SM-ben nincs reorganizáció)

24

Funkcionális MRI klinikai alkalmazása - Paradigmák

• Ujjmozgatás (aktív/passzív) => szenzomotoroscortex

• Szógenerálás => Broca area

• Szövegértés/olvasás => Wernicke area

• Villogó sakktábla => vizuális cortex

• Hometown walking teszt => hippocampus/vizuális memória

25

Limitations of Functional MRI

• Expensive (scanner≈ 300.000.000 HUF, fMRI examination≈ 80.000 HUF)

• Time consuming• Can be extremely loud (65-115dB)• Patient isolation (claustrophoby, patient

monitoring)• Patients with pacemaker or with special implants

can not be examined• Indirect detection of brain activity• Low temporal (1.5-3s) and spatial resolution

(3x3x3mm3)

26

• Comparison: signal alterationfMRI: 1T vs. 3T

Schwarcz et al. Eur Radiol. 2008

number of activated voxels: one-tailed, paired t-test (p < 0.05)

27

FMRI vizsgFMRI vizsgáálatlatElElıınyeinyei

fMRIfMRIfMRIfMRIfMRIfMRIfMRIfMRI SPECT/PETSPECT/PETSPECT/PETSPECT/PETSPECT/PETSPECT/PETSPECT/PETSPECT/PET

KontrasztanyagKontrasztanyagKontrasztanyagKontrasztanyagKontrasztanyagKontrasztanyagKontrasztanyagKontrasztanyag nem sznem szüükskséégesges szszüükskséégesges

VizsgVizsgVizsgVizsgVizsgVizsgVizsgVizsgáááááááálat idejelat idejelat idejelat idejelat idejelat idejelat idejelat ideje 55--15 perc15 perc 30 perc30 perc

TTTTTTTTéééééééérbeli felbontrbeli felbontrbeli felbontrbeli felbontrbeli felbontrbeli felbontrbeli felbontrbeli felbontóóóóóóóókkkkkkkkéééééééépesspesspesspesspesspesspesspesséééééééégggggggg milimmilimééteresteres centimcentimééteresteres

HozzHozzHozzHozzHozzHozzHozzHozzááááááááfffffffféééééééérhetrhetrhetrhetrhetrhetrhetrhetıısssssssséééééééégggggggg megymegyéénknkééntnt 33--5/orsz5/orszáágg

ÁÁÁÁÁÁÁÁrrrrrrrr ttööbbtbbtíízezer Ftzezer Ft ttööbbszbbszáázezer Ftzezer Ft

28

SpeechSpeech areasareasWord Word generationgeneration

29

SpeechSpeech areasareasStoryStory listeninglistening

30

HometownHometown walkingwalking testtest((hippocampushippocampus))

31

Memóriavizsgálat

(Hometownwalking)

32

SpeechSpeech areasareas:: Word Word generationgeneration atat 3T3T

33

Fájdalom fMRI

34

Visual fMRI

35

TasteTaste fMRI fMRI SugarSugar ((sweetsweet)) KininKininee ((bitterbitter))

36

SSensomotorensomotor cortexcortex

PassivePassive fingerfingermovementmovement ((leftleft handhand))

CentrCentralal DysgenesisDysgenesis ((rightright sideside))

Passive finger Passive finger movementmovement ((right handright hand))

37

3D fMRI-Anatomy

38

Betegség történet• 19 éves beteg

– 11 éve epilepsziás

– Klónusos rohamok a jobb arcfélen

– Epilepsia gyakorisága: 30-500/nap

• Diagnosztikus eljárások (EEG, SPECT, PET)

– Bal o. frontalisan és temporalisan ictalis és interictalisrendellenességek

• Terápia

– Gyógyszerekre rezisztens

– Korábbi sebészeti beavatkozás a bal frontalis és parietalis lebenyben, 2001 and 2002 (eredmény nélkül)

39

IIctalctal FMRI: FMRI: EpilepsEpilepsyy -- LagMapLagMap

(Pacemaker area)

The The partialpartial seizureseizure ((faceface myoclonusmyoclonus)) beginsbegins: 3m 37,5 s: 3m 37,5 s

40

Visualization: Curveswith their rising times (m: minute, s: second)

red line: clinical seizure (3m 37,5s - 7m 42,5s)

41

IktIktáálislis FMRI: FMRI: EpilesziaEpileszia -- MoziMozi

10 x –es sebesség (1 kép (2.5 s) = 0.25 s)

42








43

Sensomotor cortexPassive finger movements

44

Ujjmozgatás/Metastasis

45

Sensomotor cortexPassive finger movements

46

Szövegértés-Hallás/Low grade glioma

47

Szövegértés-Olvasás/Low grade glioma

48

Szógenerálás/AVM

49

Szógenerálás/Low grade glioma

50

ReorganizationReorganization of of BrocaBroca areaarea

51

Wernicke

52








53

DiffusionDiffusion TensorTensor ImagingImaging

54

DiffusionDiffusion TensorTensor ImagingImaging

B0B0 DirDir 0101 DirDir 0202 DirDir 0303

55

56

Mőtét elıtti kivizsgálás

57

fMRI és diffúziós tenzor képalkotás fúziója neuronavigációhoz

58

Mőtét utáni kontroll

59

Funkcionális MRI a Wernicke-központmegjelenítésére

Low grade glioma a bal temporalis lebenyben

60

61

Fusion of fMRI and DTIData in 3D

62

63

CaseCaseReportReportMiddleMiddle agedagedwomanwomansufferedsufferedseveresevereaccidentaccident::

-- fallingfalling fromfrom highhigh altitudealtitudecombinedcombined accelerationacceleration--decelerationdeceleration andand impactimpact

mechanismmechanism

-- CT CT showedshowed frontofronto--parietalparietal impressionalimpressional fracturefracture, , bilateralbilateralfrontofronto--basalbasal andand leftleft convexityconvexity contusioncontusion

-- afterafter 2 2 monthsmonths stillstill comatosecomatose, no , no spontaneousspontaneous movementmovement

-- SomatoSensoryEvokedPoentialsSomatoSensoryEvokedPoentials shownshown severesevere brainbrainstemstem damagedamage withwith nono peripheralperipheral responseresponse toto motor motor cortexcortexstimulationstimulation

-- onon T2 T2 imagesimages severesevere subcorticalsubcortical andand basalbasal gangliaganglia damagedamage

64

FunctionalFunctionalMRIMRI

Passive finger movement on both hands:

Only the right somatosensory cortex is activated

65

ResultsResults--DTIDTIcranio-caudal direction

medio-lateral direction sagittal direction

65

6666

ResultsResults--DTIDTIHealthy TBI

Jelmenetek: 7 és 5 aktív szakasz, Kitérés az aktiv szakaszok alatt

67

68

Ujjmozgatás

69

Szövegértés/hallás

70

Funkcionális MRI jövıbeni alkalmazása

• Fájdalom szindrómákban vagy pszichiátriai kórképekben az agyi aktivációs mintázatok elkülöníthetik egy adott terápiára responder és non-responder csoportot.

• Epilepsziában interictalis fMRI-vel kóros agyi területek feltérképezése, esetleg EEG kiváltása a jó térbeli felbontás miatt

• Neuromarketing: lehetséges hogy mérhetı hogy egy termék tetszik vagy nem tetszik a fogyasztónak (pozitív érzet aktivációs mintázata, limbikus rendszer)

71

ÖsszefoglalásKlinkai fMRI alkalmazása Pécsen

• Epilepszia: beszédlateralizáció, memória vizsgálata

• Elokvens agyi területek kimutatása tumorhoz/epilepsziás góchoz képest

• fMRI-DTI fúzió nagy felbontású anatómiai képekhez: mőtét elıtti tervezés/intraoperatívnavigáció

72








73

Proton (H1)MR Spektroszkópia

• Nem csak a víz tartalmaz protonokat

• Molekulák -CH2 -CH3

Kémiai eltolódás:A molekula kémiai szerkezetének megfelelıen leárnyékolódnak a protonokezért más frekvencián rezonálnak.A rezonancia frekvencia alapján pontosan azonosíthatóak.

74

The protons precess at a charateristic frequency in a static

magnetic field (Larmor frequency)

ω = γ/2π Βο

ω = Larmor frequencyγ = magnetic susceptibilityBo = static magnetic field

75

Kémiai eltolódásvíz proton, lipid proton

Víz protonLipid proton

76

Klinikai rutinban Proton spektroszkópiával mérhetı

anyagok

• NAA -N-acetyl aszpartát- neuronok• Cr - Creatinin-anyagcsere• Cho-Cholin-membrán turnover• Lac - Laktát-anaerob körülmények• Ins - Myo-inositol- glia specifikus• Lip-Lipidek-Makromolekulák(CH3-CH2)• Glu,Gln,GlxGlutamin-Glutamát- excitátoros aminosav• Aminosavak-szukcinát-leucin-alanin(tályogok)• (glicin,taurin,scyllo inositol, glucose,citrát)

77

• KIR daganatos elváltozásai

• Ischaemiás laesiok

• SM

• Leukodisztrofiák

• Epilepszia

• Alzheimer Betegség

• Abscessusok

• Prosztata dagantok

MRS segíthet:

78

Fehérállomány Szürkeállomány

Normál agyi spektrum

79

MRS szekvenciák• STEAM PRESS

3db 90 fokos pulzus 1db 90 és 2db 180 fokos pulzus

Voxelkiválasztás:

Azonos paraméterek mellett mért jelmennyiség:

fele a PRESS-nek duplája a STEAM-nek

Mérhetı legrövidebb echoidı:

20ms 30ms

Alapvetıen a PRESS szekvencia ajánlott a STEAM-et csak olyan esetekben használjuk, ha olyan metabolitokat keresünk

amik csak rövid echoidın látszanal jól

(STimulated Echo Acquisition Mode) (Point RESolved Spectroscopy)

80

Vízjel 10.000x akkora mint a metabolitok jele(a mért jel a protonok számával arányos)

Vizet el kell nyomni hogy mérhetıvé váljanak a metabolitok

Alacsony metabolit jel miatt zajos a spektrumÁtlagolni kell

Átlagolás szerepe

2 4 6 8 10

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2 4 6 8 10

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2 4 6 8 10

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2 4 6 8 10

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2 4 6 8 10

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2 4 6 8 10

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

81

30ms 144ms

288ms

Laktátechoidıfüggése(SVS

Single-Voxel-

Spectroscopy)

glioma

82

Multivoxel technologia

83

Meningeoma

84

Ép

Szélirész

Középsı rész

85

Laktát és Cholin/Creatinin metabolit térképek

86








87

Quantitative measurement of Quantitative measurement of rCBVrCBVand Kand Ktt of BBB using DSC MRI at of BBB using DSC MRI at

low field (1T) in brain tumourlow field (1T) in brain tumour

Attila SchwarczAttila Schwarcz1,21,2, , TiborTibor AuerAuer11, , MihMiháályly AradiAradi11, , TiborTibor CsendesCsendes33, Attila Kozma, Attila Kozma33, , FerencFerenc KKöövvéérr22, , TamTamááss DDóócziczi1,41,4

11University of University of PecsPecs, Department of Neurosurgery, , Department of Neurosurgery, PecsPecs, Hungary, Hungary22PPéécs cs DiagnosticDiagnostic Centre,Centre, PecsPecs, Hungary, Hungary33University of University of SzegedSzeged, Faculty of Science and Informatics , , Faculty of Science and Informatics , SzegedSzeged, Hungary, Hungary44Hungarian Hungarian AcademyAcademy of of SciencesSciences, , ClinicalClinical NeurscienceNeurscience ResearchResearch GroupGroup, , PPéécscs, Hungary, Hungary

88

BBBBBB--openingopening

•• pathologiespathologies: :

stroke, tumor, multiple sclerosis, traumatic brain stroke, tumor, multiple sclerosis, traumatic brain injuryinjury, , bacterialbacterial meningitismeningitis

•• entry of blood proteins entry of blood proteins --> > edema formation edema formation --> > neuronal damageneuronal damage

89

BBBBBB--openingopening

–– ContrastContrast--enchancedenchanced MRIMRI

–– T1W image: signal increaseT1W image: signal increase

–– T2* weighted image: signal decreaseT2* weighted image: signal decrease

–– Signal increase/decrease over time may Signal increase/decrease over time may characterizecharacterize BBB BBB

90

MethodMethod•• Patient:Patient:

–– 4545 yearyear--oldold

–– metastaticmetastatic brain brain tumourtumour

•• MRMR--acquisition at acquisition at 1T1T

–– 3D FLASH (T2* 3D FLASH (T2* weightingweighting))

–– TR/TE/FA/BW = TR/TE/FA/BW = 1000ms1000ms/80ms/30/80ms/30ºº/750Hz/750Hz

–– VoxelVoxel--size = size = 3mm*3mm*3mm3mm**3mm3mm

–– Number of slices = 6Number of slices = 6

–– SeriesSeries--time = time = 120s120s

–– At the 20th measurement: iv. 0.1mmol/bwkg of At the 20th measurement: iv. 0.1mmol/bwkg of gadolinium (gadolinium (MagnevistMagnevist))

91

AnalysisAnalysisI.I.S: actual signal intensityS0: signal intesity at t=0r2*: 1/T2*TE: echo timeC: tracer concentration

S=S0exp(-Cr2*TE)

C=ln(S/S0) in arbitrary unit containing r2*TE

Concentration changes of contrast agent over timemay characterize blood-brain-barrier quantitatively.

92

AnalysisAnalysisII.II.

JohnsonJohnson etet alal., MRM 51:961., MRM 51:961--968;2004968;2004

( )epTRANSe

e CCKdt

dCV −=

Ve: fractional extracellular volumeCe: extracellular tracer concentrationVp: fractional plasma volumeCp: plasma tracer concentrationCt: total tissue tracer concentrationKTRANS: permeability transfer constant

( ) ( ) ''exp'0

dtttV

KtC

V

KC

t

e

TRANSp

e

TRANSe ∫

−−=

eeppt CVCVC +=

( ) ( ) ''exp'0

dtttV

KtCKCVC

t

e

TRANSpTRANSppt ∫

−−+=

93

AnalysisAnalysisIII.III.The fit The fit waswas carriedcarried out out withwith MatLabMatLab 6.5 (6.5 (UniversityUniversity

of of SzegedSzeged, Faculty of Science and Informatics, Faculty of Science and Informatics) )

Vp, Ve, KTRANS werewere determineddetermined asas fit fit parametersparameters

rCBVrCBV = = VVpp / (1/ (1--haematocritehaematocrite))

( ) ( ) ''exp'0

dtttV

KtCKCVC

t

e

TRANSpTRANSppt ∫

−−+=

Ve: fractional extracellular volumeCe: extracellular tracer concentrationVp: fractional plasma volumeCp: plasma tracer concentrationCt: total tissue tracer concentrationKTRANS: permeability transfer constant

94

BBBBBB--openingopeningDynamicDynamic SusceptibilitySusceptibility(T2*) (T2*) --weightedweighted

ContrastContrast--enchancedenchanced (DSC) MRI(DSC) MRI

timetime

qquantitativeuantitative informationinformation: :

�� relativerelative CerebralCerebral BloodBlood VolumeVolume ((rCBVrCBV))

�� permeabilitypermeability (K(KTRANSTRANS))

95

ResultsResults

•• SSplasmaplasma –– normalnormal WMWM SStt –– tumourtumour

•• CCplasmaplasma –– normalnormal WM WM CCtt –– tumourtumour

96

ResultsResults

•• KKTRANSTRANS = 0,0012s= 0,0012s--1 (0,000531 (0,00053--0,0020 s0,0020 s--1)1)

rCBVrCBV = 1,125% (0,04= 1,125% (0,04--12%)12%). .

•• GoGooodd agreementagreement withwith literatureliterature rangerange ((ininparenthesisparenthesis))

•• According to these parameters the state of the According to these parameters the state of the BBB refers to a BBB refers to a malignant malignant tumourtumour withwith lowlow bloodbloodvolumevolume

•• For For comparisoncomparison, , rCBVrCBV of of normalnormal WM WM ≈≈ 2%2%

97

ConclusionConclusion•• WeWe managedmanaged toto setupsetup a a methodmethod able to able to

quantitativelyquantitatively determine the state of the determine the state of the BBBBBB atat 1T1T

•• WeWe maymay assumeassume::

–– dignitydignity

–– gradegrade

UsefullnessUsefullness::

–– DiagnosisDiagnosis

–– Monitoring (Monitoring (closingclosing of of thethe BBBBBB e.ge.g. . inin radiotherapyradiotherapy))

•• FutureFuture: : smallersmaller contrastcontrast materialmaterial --> > ableable toto detectdetectdiscretdiscret leakageleakage of BBBof BBB

Documents

Modern MRI módszerek az idegsebészetben - PTE ÁOKaok.pte.hu/docs/radio/file/09_fMRI_klinikai_alkalmazas.pdf · 3 MRI uses hydrogen protons for imaging • The human body is composed