Perfusion MRI: Perfusion MRI: Perfusion MRI: Perfusion MRI:

Technical AspectsTechnical AspectsTechnical AspectsTechnical Aspects

2009 Lecture

장건호

경희대학교 영상의학과

Objectives

• 관류영상 방법의 원리를 이해.

– 1. DCE perfusion MRI

– 2. DSC perfusion MRI

– 3. ASL perfusion MRI

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– 3. ASL perfusion MRI

• 관류영상 방법의 최신 동향을 이해.

Contents

• Perfusion(관류) MRI

– Exogenous

• Dynamic Contrast Enhanced (DCE, bolus

passage)

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passage)

• Dynamic Susceptibility Contrast (DSC, bolus

tracking)

– Endogenous

• Arterial spin labeling (ASL)

Abbreviations

• BBB: blood- brain barrier

• SI: signal intensity

• T1W: T1- weighted (T1WI, imaging)

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• T2*W: T2*- weighted (T2*WI, imaging)

• EPI: echo planar imaging

• EES: extravascular- extracullular space

• AIF: Arterial input function

Terminologies and Units

• CBV: Cerebral Blood Volume– 4 ml blood/100g tissue

• CBF: Cerebral Blood Flow– 50 ml blood/100g tissue/minute

• Time related factors

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• Time related factors– T0: Arriving Time (sec)

– MTT: Mean Transit Time (5 sec)

– TTP: Time- to- Peak (sec)

• Ktrans: Transfer constant, permeability factor– 1/minute

1. DCE Perfusion MRI

• Exogenous

• Sequences– 2D Dynamic T1W MRI

– 3D Dynamic T1W MRI

• Applications

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• Applications– Breast

– Prostate

– Pelvic

– Muscle

– Brain

DCE Perfusion MRI

• Short TR

• Short TE

• Small flip angle

• Long scan time

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• Output Factors– Initial slope, T0, Time to peak,

– Area under curve (AUC, blood volume or CBV )

– EES (Ve) volume, Ktrans

GD- DTPA 조영제

• In the normal brain, – the BBB keeps GD inside the blood capillaries;

– it cannot reach the brain tissue outside the capillaries.

– The blood volume in the normal brain is small (about 2- 4%), and no signal enhancement is seen.

• In MS or tumors, – the capillary wall (endothelium) is damaged, GD can

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– the capillary wall (endothelium) is damaged, GD can escape into the relatively large EES.

• GD is a contrast agent – which decreases the value of T1, and

– hence increases the SI in a T1W sequence.

• In the EES – there can be enough GD to reduce T1 and hence

increase signal.

DCE Signal- to- Time Curve

• The time to peak and peak enhancement vary according to the kind of lesion.

• Parameters have

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• Parameters have been used to characterize GD enhancement:– Initial slope

– Time to peak

– Area under curve (AUC)

Pharmacokinetic Compartmental Model

• T1 depends on GD concentration.– Be often used by an in- vitro value for relaxivity.– Be ignored in intravascular tracer.

• The T1 of the tissue before injection of GD must be

known in order to calculate CBF.

– T1 maps

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Two- compartment parmacokinetic model

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• The driving parameters in this model are:– PS: the permeability surface area product of the endothelium, Ktrans

– Ve: the fractional size of the EES (0<Ve<1)

– AIF: the time course of blood plasma GD concentration

– CA: the dose or tracer of injected GD

Other New Parameters in DCE

• Two parameters PS and ve characterize the biology of the situation. – rate constant : kep=PS/ve (Brix model)

• What does Ktrans signify?– In a limited permeability situation (ex, MS)

• Ktrans=PS (flow>>PS)= Limited permeability model

• Acute MS lesions: Ktrans=0.050/ min and ve=21%

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• Acute MS lesions: Ktrans=0.050/ min and ve=21%

• Chronic MS lesions: Ktrans=0.013/ min and ve=49%

– In a limited flow situation (ex, tumor): • Ktrans=flow (flow<<PS)=PWI perfusion imaging

– Often mixed PS and flow- weighting• Hard to interpret

– Larger contrast agents have lower PS, so can give limited permeability behavior in tumors. Hence measure flow and PS separately.

Generalization to Permeability (“Ktrans ”)

• In tumors PS is higher than in MS, and often CBF is insufficient to maintain the local plasma concentration at the arterial level. Thus GD uptake may reflect flow not permeability.

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From: A. G. Sorensen MD @ MGH

CBF Calculation in DCE

• T1W DCE gives CBF under conditions of:

– Low PS (i.e. flow- limited) and

– Blood plasma volume (vp) not too big (IV

tracer not modeled well).

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tracer not modeled well).

Example

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Current Issues of DCE

• Imaging Protocol: temporal vs spatial resolution– 3D Fast GE T1W sequence

– TR<7 msec, TE<1.5 msec, FA=30

• AIF can be ideally measured with MRI – Hard to get a slice,

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– Partial volume errors

– Good temporal resolution needed

– Signal nonlinear with high GD concentrations

• Modeling:– IV tracer: incomplete exchange of intravascular and

extravascular water reduces the visibility of IV GD.

– Distributed system (tissue homogeneity model better?)

2. DSC Perfusion MRI

• Exogenous

• Sequences

– 2D Gradient- echo T2*W MRI

– 2D Echo- planar imaging (EPI) T2*W MRI

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– 2D Echo- planar imaging (EPI) T2*W MRI

– 3D T2*W MRI

• Application

– Brain

DSC Perfusion MRI

• Long TE (35 msec)

• Intermediate TR (2 sec)

• High flip angle (90 degree)

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• Short scan time

• Factors

– CBV, CBF, MTT, T0, TTP

DSC or T2*W PWI pMRI

• Common outputs: CBF, CBV, MTT, Peak height, Percent signal recovery

• 조영제의 주입으로– Susceptibility(자화감수성)이 증가하며,

– T2* 신호가 감소하게 됨.

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– T2* 신호가 감소하게 됨.

–이 감소를 시간에 따른 T2* relaxivity contrast 변화 (∆R2*)로 나타내게 됨.

• 영상은 EPI sequence를 이용하여 얻게 되고 한 volume을 얻는데 약 1.5- 2초 정도가 소요된다.

Signal intensities

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Change in MRI signal due to passage of contrast agent

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A. Pre-injection baseline

B. Contrast arrival

C. Peak signal change

D. Recirculation

E. Post-injection baseline

A. Arrival time

B. Maximum contrast concentration

C. Full-width at half maximum

Figure from Cerebral MR Perfusion. Sorensen and Reimer

CBF measurement in DSC

)()()( tRtAIFCBFtCm ⊗×=

Cm (t) : measured concentration curve in tissue

[Ostergaard et al. 1996]known

unknown

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Cm (t) : measured concentration curve in tissue

CBF : Cerebral Blood Flow [ml/100g/min]

AIF (t) : Arterial Input function

R (t) : Residue function

)()(sec)(min/60

1min)/100/(

)/()( tRtAIFgmlCBF

k

mlgtC

H

m ⊗×××=ρ

Example of MCA- AIF

• AIF: 정량적인flow을 얻기 위해서는 brain-feeding artery

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feeding artery에서 조영제 농

도의 변화를 알

아야 됨

Deconvolution

• Deconvolution을 위한 최초 발표된

– singular value decomposition (SVD) 방법:

• 낮은 SNR 와 residue function에 대해 독립적이기 때

문에 사용이 편리

• 조영제의 delay에 의존도가 커서 여러 다른 방법이 최

근에 개발되고 있음

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근에 개발되고 있음

–최근 개발된 Deconvolution 방법:

• modified SVS

• Fourier method 및 maximum- likelihood expectation

maximization (MLEM)

Current Issues I

• Data presentations– First fitting for each voxel and then average ROI

– First average ROI and then fitting.

• Flow quantifications– Linear relationship:

∆

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• 조영제의 농도와 ∆R2*의 변화가 선형관계

• 실제로는 비선형적(quadratic relation) 관계임.

– Phase를 이용한 flow quantification:• 조영제의 자화 감수성에 따른 혈관 내 magnetic field가 변화하여 선형적인 Phase 변화를 유발

• 이 phase 변화에 기초를 둔 조영제의 변화를 이용한 flow quantification이 개발되고 있음.

Current Issues II

• AIF and Partial Volume Effect (PVE)

– GE 영상에서는 voxel 크기가 커서 PVE의 문제가 발생

– Artery가 main magnetic field에 parallel 평행인 경우:• artery 내부의 신호만이 변화하게 되며• partial volume에 의한 voxel 내의 총 신호는 blood와 주위 tissue 의 합.

• 따라서 PVE 를 어렵지만 수정할 수가 있음.

– Artery가 main magnetic field와 non- parallel 경우

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– Artery가 main magnetic field와 non- parallel 경우• AIF를 MCA나 local AIR algorithms 을 사용할 경우에 발생하고• 조영제로 인해 vessel 이외의 tissue 도 신호가 변화• voxel 내의 신호는 vessel의 직경, vessel 에 대한 voxel 의 위치,

main magnetic field 에 대한 vessel 의 각도 및 voxel의 위치에따라 변화

• partial volume effect 를 보완하기가 매우 힘들다.

– 최근에는 local AIF 방법이 개발되고 있는데 이 경우는 한개의 AIF가 아닌 각각의 voxel에 대한 AIF 값을 이용.

Current Issues III

• Data Corrections

– Hematocrit 양의 차이의 보정: • 주입된 조영제는 intravascular 와 extracellular space 에 만 작용

• 큰 혈관과 작은 혈관사이에 Hematocrit 양의 차이가 존재 하여 이를 보정해야 함

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재 하여 이를 보정해야 함

• 각각의 환자에 대해 측정하기가 불편하여 일정상수로처리

– Dispersion에 대한 flow 값의 오차가 발생• Local AIF 방법에 의하여 수정될 수 있음

• 최적의 bolus profile을 얻기 위해서는 4- 5 ml/ sec로조영제를 주입

• 약 20 gauge의 IV line을 이용하는 것이 좋음

Output Maps

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3. ASL Perfusion MRI

• Endogenous

• Sequences– 2D Proton- density weighted EPI MRI

– 3D Proton- density weighted EPI MRI

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– 3D Proton- density weighted EPI MRI

• Applications– Brain

– Heart

– Kidney

– Muscle

ASL Perfusion MRI

• Long TR (3 sec)

• Short TE (shortest)

• High flip angle (90 degree)

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• Long scan time with multiple averaging

• Factors

– CBF, (T0, TTP, CBV)

ASL pMRI

• Common output: CBF

• ASL perfusion 영상: RF 펄스를 이용하여 arterial blood의longitudinal magnetization를 변화시켜 얻는 방법– blood의 T1 relaxation 시간이 영상의 질을 좌우

– Control or Reference 영상: blood는 자화 없이 영상

– Labeled or Tagged 영상: blood를 자화시킨 후에 영상

– PWI = Control - Labeled

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– PWI = Control - Labeled

• ASL 방법:– pulsed ASL (PASL)

– continuous ASL (CASL)

– velocity selective ASL(VS- ASL)

– Vascular Territory Imaging (VTI)

Development issues

• static tissue의 기여도를 최소한도로 줄이고

• blood labeling 효과를 최대한도로 높이기 위함

• Static tissue의 기여로 flow 량의 계산에 오차가 발생하는데 그 주된 이유 중의 하나가

2009 Lecture

차가 발생하는데 그 주된 이유 중의 하나가

magnetization transfer (MT) effect에 의한것임

PASL vs CASL• PASL 방법:

– 짧은 시간 동안 blood를 labeling 하는 방법– 기존에 사용되고 있는 일반 MRI 장비로 사용이 가능– 예: FAIR, PICORE, EPISTAR, UNFAIR, EST, TITL, DIPLOMA 및

IDOL

• CASL 방법:– 긴 시간 동안 flow driven adiabatic inversion에 의해 blood를

labeling 하는 방법– 특별한 하드웨어의 지원이 필요

2009 Lecture

– 특별한 하드웨어의 지원이 필요– PASL 방법에 비하여 어려움– SNR이 높은 것이 장점– pseudo- CASL이 개발

• 기존의 CASL에서 사용되는 continuous RF irradiation 부분을 연속적인discrete RF 펄스로 대처

• 기존 CASL에서 사용되는 continuous gradient 부분을 연속적인discrete gradient 펄스로 대처

• 이로 인해 RF 펄스의 공명영역이 증가하여 MT effect를 약 20% 줄었으며

• SNR을 높이고 특별 하드웨어 없이 일반 장비에서도 사용 가능

• 임상 연구에 사용하는 데는 한계가 있음.

DIOLOMA ASL pMRI

Labeling or Tagging Scan Control or Reference Scan

2009 LectureJahng et al. Magn Reson Med 2003

Principle of

ASL

• Blood is tagged at inferior using inversion pulse.

2009 Lecture

• Blood is tagged at inferior using inversion pulse.

• Tagged blood is flowing into capillary sites of brain with relaxing T1b of blood.

• Tagged blood exchanges into brain tissues from capillary vessel with relaxing T1t of tissue.

• Some of tagged blood is also flowing out in venous vein.

Principle Sequence for ASL

PerfusionDouble Inversion with Proximal Labeling bOth tag and control

iMAges: DIPLOMA

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Label

Control

Imaging

By EPI

TIME

Saturation

For Bolus

Why High Field ASL?

2009 Lecture

Advantages Limitations

● Higher SNR ● Physiological noise

● Longer blood T1 ● Susceptibility effects

Wang et al MRM 2002

CBF by Evaluating Kinetics of

Perfusion

Blood

Voxel

T1tissue

T1blood

2009 Lecture

Blood

ATT Tex

Time

T1tissue

M0_blood

Complicated Kinetics of Perfusion

Blood

Voxel

T1tissue

T1bloodM0_bloodMacromolecular

pool

2009 Lecture

Blood

ATT Tex

Time

T1tissue

Gradients of Blood Concentration

Back flow

Dynamics of ASL pMRI

• Labeled water flows into capillaries and exchanges with tissue water

Perfusion Signal

2009 LectureTime

Perfusion Signal

Li et al, Magn Reson Med 2005

ATT Tex T1blood; T1tissue

VS- ASL

• 뇌졸증 환자와 같은 cerebrovascular diseases 환자의 경우– labeled blood 가 영상 영역으로 흐르는 시간이 각각 다르며

– blood T1 값보다 시간이 길게 될 수 있음

• VSASL 방법:

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• VSASL 방법: – blood의 최저속도를 기준으로 (cutoff velocity Vc) 설정

– 그 이상의 혈류에 대해서만 labeling 하는 방법

– spatial selection은 없으며 일정시간 TI 후에 피의 속도가Vc 이하인 것만 (decelerated blood only) 영상을 얻는방법

– venous blood의 acceleration 효과 때문에 venous blood의 기여도를 줄일 수 있음.

Vascular Territory Imaging (VTI)

• Cerebrovascular disease 환자에서

– stenotic vessel들이 여러 개 있을 경우

– carotid endarterectomy, stenting, 혹은

bypass등의 intervention 시술을 수행할 경우

2009 Lecture

bypass등의 intervention 시술을 수행할 경우

에 유용하게 사용될 수 있음.

• VTI 영상법은 PASL 방법을 이용하여 일부feeding artery 만을 labeling하는 방법임.

CBF and BOLD and CMRO2

• ASL 영상법을 이용하는 경우 oxygen metabolism (CMRO2)을 얻을 수 있음

• 동시에 CBF와 BOLD 영상을 얻고 이를 바탕으로CMRO2을 구할 수 있음

– Dual- echo method:

2009 Lecture

– Dual- echo method:• 1st echo=ASL

• 2nd echo=BOLD

• CMRO2

– Single- echo method:• addition=BOLD

• subtraction=CBF

• CMRO2

Whole Brain ASL Perfusion MRI at 4T

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Imaging Parameters: 2.4mm x 2.4mm; 3mm slices with 0.75mm gap; TR/TE=4200/11ms, 120 averages; 8 min

Acknowledgements

• 대한자기공명의과학회

• 경희대학교 부속 동서신의학병원 영상의학과

2009 Lecture

학과

• 보건복지부 보건의료기술진흥사업의 지원(A062284).