TEHNIKE U MRITEHNIKE U MRI

Prilagodio Prilagodio za studente VZŠza studente VZŠDr sci.medDr sci.med.. Sava Staji Sava Stajićć

Kontrast kod spin – eho sekvencije

Kratko TR Dugo TR

Intenzitet tkiva Intenzitet tkiva

Kratko TE T1W Dugo TE T2W

VREME POTREBNO DA SE DOBIJE MR SLIKAVREME POTREBNO DA SE DOBIJE MR SLIKA

VREME = VREME = Ma Ma •• TRTR •• NEXNEX

MaMa = veličina matrice, tj. broj koraka faznog gradijenta= veličina matrice, tj. broj koraka faznog gradijentaTRTR = vreme ponavljanja pulsne sekvencije= vreme ponavljanja pulsne sekvencijeNEXNEX = broj akvizicija (ponavljanja celokupne sekvencije)= broj akvizicija (ponavljanja celokupne sekvencije)

Primer (za preseke debljine veće od 5 mm):Primer (za preseke debljine veće od 5 mm):

T1W T1W MaMa •• TRTR •• NEXNEX = = 256256 •• 0,5 s0,5 s •• 11 2 min 2 min

T2W T2W MaMa •• TRTR •• NEX NEX = = 256256 •• 22,0 s,0 s •• 11 8 8 min min

Za preseke debljine manje od 5 mm Za preseke debljine manje od 5 mm NEX = 2 - 4NEX = 2 - 4

VREME = Ma • TR • NEXNEX Signal-šum

NEXNEX = 1 = 1 NEXNEX = 4 = 4

Kvalitet slike = signal/šum raste sa korenom iz NEX

VREME = Ma • TR • NEX

Ma Rezolucija 128128 256256

Izbor preseka

selectiongradient

f1

position

f ~ B

TransmittedRF pulse

f2

fo

Istovremeno snimanje više presekaT2W sekvencija:-TE (90ms) skupljanje podataka-TR (2s) čekanje za ponovno pobuđivanje (256x2s = 8.5 min)

Vreme čekanja TR-TE je 1,9 s dok se ne skupi druga linija podataka (druga vrednost gradijenta faze)Za to vreme možemo da pobudimo spinove u drugom preseku i skupimo jednu liniju

TR > broj preseka x TE x digitalizacija eha

Vreme ‘čekanja’ Vreme potrebno za sakupljanje podataka

Primer: TR = 2000 ms, TE = 90 ms, digitalizacija = 10 ms

Mogući broj preseka : najviše 20

T2W i dalje traje 8.5 min

FSE (Fast spin-echo)prvo ubrzanje Klasično T2W FSE T2W

FSE = Nakon pulsa od 90o daje se više pulseva od180o (u ovom slučaju 4 pulsa) i nakon svakog od tihpulseva daje se različit fazni gradijent

Rezultat: Dobijamo 4 linije (256x256 matrice) u tokujednog eha, tako da je umesto 256 prolaza potrebnosamo 64. Vreme za FSE T2W sliku je 4 puta kraće

Ako smanjimo TR ???Ako smanjimo TR ???

GRE (Gradient recalled echo) Možemo li još skratiti TR bez uticaja na kontrast?

GRE: Vreme TR se smanjuje jer se refokusiranje spinova, tj. pojava ehase stimuliše gradijentima, a ne pulsom od 180o.

TR je ispod 100 ms

T2W = T2W = MaMa • • TRTR • NEX• NEX = = 256256 • • 100 ms100 ms • • 11 25 s 25 s 0,5 min 0,5 min

GRE T2W image

EPI (Echo planar imaging)

Standardni T2W EPI snapshot ( 80 ms )*

Pacijent sa parkinsonovom bolešcu

“MNOGO” BRZO!!!

*Ali ovde nema vremena za multislice

Vreme snimanja zavisi od načina prolaska kroz K-prostor

“SUPER”BRZO!!! Spiralni prolaz kroz K - prostor

Da li se mogu snimati organi koji se kreću metodom MRI?

Nasumično kretanje unutar MR aparata neminovno dovodi do degradacije slike zbog relativno dugog vremena snimanja, ali ….

Varijanta 1: Superbrze sekvencije snimanja

Pacijent sa Parkinsonovom bolesti (trese mu se glava)

Standardni T2W (4 minuta) EPI snapshot ( 80 ms )

MR MR AngiograAngiografijafija

3D matrica popunjena “Freez” – za dijagnostiku

Da li se mogu snimati organi koji se kreću metodom MRI?

Varijanta 2: Sinhronizacija sa laminarnim tokom spinovi koji se kreću laminarno imaju različitu fazu od ‘stacionarnih spinova’ – Braunovsko kretanje

dodatni gradijenti refokusiraju spinove koji se laminarno kreću, a defokusiraju ‘stacionarne’

Da li se mogu snimati organi koji se kreću metodom MRI?

Varijanta 3 sinhronizacija ‘okidanja’ MRI sekvencije (vrlo brze) i EKG

CINE srca

Krvni sudovi abdomena

Krvni sudovi donjih ekstremiteta

Difuzijski MRI

Stabljika celera

Longitudinalni difuzijski gradijent(duž stabljike)

Trasverzalni difuzijski gradijent

Duž provodnih snopova voda slobodno difunduje, ali ne i ‘levo-desno’

Dodatni gradijenti menjaju signal u zavisnosti koliko ‘slobodnog puta’ imaju molekuli vode

Difuzijski MRIDifuzijski MRI Brza dijagnoza moždanog udara pre nego što nastane štetaBrza dijagnoza moždanog udara pre nego što nastane šteta

Klasično T2 Difuzijski imidžing

Moždani udar vrlo rana faza (nekoliko sati)

Prekinut dotok krvi prekida snabdevanje ćelija kiseonikom što izaziva prestanak rada ćelijske mašinerije i pucanja membrana – voda slobodnije difunduje

T2wTSE ne prikazuje jasno patološke promene

DWI jasno prikazuje patološko polje smanjene difuzije – pojačanog intenziteta signala parijetookcipitalno levo

Difuzijski MRIDifuzijski MRIkrvarenjekrvarenje

Aksijalno Sagitalno

3D difuzijski MRI – tenzorski DMRItraktografija nerava

Kompozitna MRI slikaTraktografska slika na osnovi klasične MRI slike

Nervi imaju mijelinski omotač koji je nepropustan za vodu

Difuzija duž nerva je slobodnija nego popreko

3D slika ‘slobodne’ difuzije prati prostiranje nerava

Kontrasti u MRIKontrasti u MRI

Zašto nam trebaju kontrasti u MRI? Pomoću kontrasta možemo za kraće vreme

dobiti željeni snimak Kontrasti pomažu u određivanju

funkcionalne anatomije Od čega zavisi kontrasti u MRI?

Broja protona T1 T2

Šta možemo promeniti? Broj protona? – dehidratacija objekta T1 i/ili T2

Kako T1 kontrasti menjaju T1W slike?

“Veliki” spin elektrona paramagnetnih supstancija (elementi sa nesparenim elektronskim spinom Mn, Fe, ...) skraćuje T1 vreme relaksacije protona okoline

Lezije (tumori) akumuliraju kontrast više od normalnog tkiva tako da od hipointenzne postaju hiperintenzne

Postkontrastne T1W slike lezije koja apsorbuje kontrast su hiperintenzne zbog skraćivanja T1 vremena relaksacije unutar lezije

Paramagnetni agensi – potencijalni kontrasti

Fe, Mn, Gd – dobri kao kontrasti ali toksični kao joni

Ideja kontrastnih agenasa je zadržati paramagnetizam a sprečiti toksičnost

Helatni kompleks – veliki ( ne prolazi kroz membranu) i negativno je naelektrisan

Struktura Gd-kontrasta molekul vode i izmena sa okolinom

Efekat kontrasta je kontrolisan brzinom izmene molekula vode

Struktura Gd-kontrasta

Kontrasti u MRI – Hematoencefalna barijera - BBB

Otkrivanje lezije (meningiom)

T1WT1W T2WT2W T1WT1Wpostkontrastpostkontrast

Koleno Upala sinovije ukazuje na reumatski artritisTumor mekih tkiva

Nejonski kontrastni agensi – poboljšana delineacijavijabilne zone tumora

T2W T1W-kontrastNominalno dozvoljena doza

T1W-kontrastTrostruko dozvoljena doza

nejonski kontrast

Dinamički MRI

Tip I – benigniTip I – benigni

Tip II -Tip II -??

Tip III – maligni (83 %)Tip III – maligni (83 %)

*dokazano za dojku*dokazano za dojku

bolus iv. aplikacija kontrasta + GRE bolus iv. aplikacija kontrasta + GRE

Dinamički MRIspecifičnost MRI dijagnostike

Kontrasti u MRIOrgan specifični kontrasti

Mn-DPDP bazirano na vitaminu B6

Bez kontrasta Specifična apsorpcija kontrasta odstrane hepatocita

Superparamagnetni kontrasti

Čestice koje su ciljano dizajnirane da ih organi sa fagocitnom aktivnošću eliminišu iz organizma Jetra, slezina, limfni čvorovi

T2* kontrastiElektronska mikroskopija superparamagnetnih* čestica R R = 100-150 nm= 100-150 nm

ovojnica je polimerovojnica je polimer (npr. dekstran)(npr. dekstran)

jezgro Fe3O4 (FeO * Fe2O3)jezgro Fe3O4 (FeO * Fe2O3)

**u magnetnom polju u magnetnom polju ponaponašaju se kao feromagnetici šaju se kao feromagnetici

Oralni superparamagnetni kontrastiKarcinom uterusa

Artefakti u MRIkako ih prepoznati, izbeći i iskoristiti

Artefakti porekla neodgovarajućeg podešavanja MRI aparata ili nepoznavanja principa dobijanja slike na MR

Artefakti uzrokovani kretanjem Artefakti hemijskog pomaka Artefakti uzrokovani promenom magnetnog polja

(artefakti magnetne susceptibilnosti)

Artefakti u MRI Artefakti porekla neodgovarajućeg podešavanja MRI aparata ili nepoznavanja principa dobijanja slike na MR

Kako ih prepoznati: lako

Kako ih izbeći: Smanjivanje FOV (gubitak rezolucije) ili SENSE

Artefakti u MRIartefakti kretanja – uvek duž faznog gradijenta

Pomeranje slike duž faznog gradijenta kao rezultat respiratornih

i srčanih pomeranja

Efekti pulsatilnog toka

Rešenja: EKG ili puls trigering; respiratorni gating; različiti softverski trikovi

Artefakti u MRIartefakti susceptibilnosti – uvek duž frekventnog gradijenta

Shematizovan prikaz nastanka svetlih i tamnih zona na MR slikama u slučaju postajanja objekata čija je susceptibilnost znatno različita od okoline.

Demonstracija pomeranjeduž frekventnog gradijenta

Artefakti u fantomimaZilke šraf

Functional MRI Functional MRI -- fMRI fMRI

BOLD (BOLD (BBlood lood OOxygenation xygenation LLevel evel DDepending) MRIepending) MRI

Osnovna ideja je identifikovati delove korteksa koji su povezani sa određenim funkcijama

Ne znam kako se do stiglo do toga da znamo koji deo korteksa obavlja određenu funkciju i nešto mi govori da je možda bolje da ne znam šta se sve podrazumevalo pod direktnom kortikularnom stimulacijom.

Princip fMRI je obrnut – stimuluše se određena aktivnost, a MRI neinvazivno ‘gleda’ koji deo korteksa je uključen u tu funkciju

Oksihemoglobin (dijamagnetik) Deoksihemoglobin (paramagnetik) povećane koncentracije na malom prostoru = endogeni T2* kontrast

U toku aktivnosti neurona potreba za kiseonikom raste i nivo u krvi opada

Povećava se protok krvi da se obezbedi oksihemoglobin, ali se manjak obično prekompenzuje

Ove promene dovode do promene T2* signala u delu mozga koji je aktivan i mogu se registrovati ako snimamo dovoljno brzo (oko 100-200 ms)

Ne meri se koncentracija kiseonika (mada bi bilo lepo kad bi moglo) nego efekti promene spinskog stanja gvožđa u hemoglobinu

BOLD

Vidljivost efekta je direktno proporcionalna magnetnom polju(ispod 1,5 T ne vredi ni pokušavati)

Primena

Prikaz aktivnih regiona u motorne ili čulne stimulacije i u toku kognitivnih procesa

Analiza cerebralne organizacije funkcionalnih sistema

Promena aktivnosti kao posledica određenih lezija

Planiranje hirurgije – prikaz funkcionalnih regija koje su ‘na putu’ ka leziji

PET može nešto slično, ali se MRI može bezbedno ponavljati, ima bolju rezoluciju i jeftini je

Paradigmasistem stimulacije i sekvencija

Stimulacije

Motorna – pacijent izvodi neku motoričku aktivnost (npr. kuckanje prstom, savijanje lakta i sl.)

Čulna – vizuelna (svetlo/tama, serija različitih slika) ili akustična (buka, muzika)

Kognitivna – razne reči, pojmovi i sl.

Pritiskanje prsta na palac

U toku kuckanja levog (30 sec) snimi se 10 slika,a kuckanje desnog služi kao bazna linija

Kako to radi?

3D PACE zbog kretanja

Promena signala u toku aktivacije u odnosu na mirovanje je jako mala (oko 3% na 1,5T)

Zbog toga se slika analizira (piksel po piksel) preko statičkog t-testa da bi se našle signifikantne varijacije u signalu (pozitivne ili negativne) između aktivnosti i mirovanja

Trajanje promena je jako kratko pa se koristi EPI single shot

EPI ima lošu anatomsku rezoluciju i zato se rezultati t-test slike ‘nalepe’ na standardnu sliku

fMRI (funkcionalni)

Optička stimulacija

Obojeno svetlo vs mrak

Motorna stimulacija

Savijanje lakataPrepoznavanje napisanih reči

fMRI

SVS – Single Voxel SpectroscopySpektar se dobija iz jednog zapreminskog elementa usrednjavanjemviše prikupljenih spektara. Dobar odnos signal/šum. Mana – spektar se dobija iz malog dela lezije.

Da bi se dobio zadovoljavajući spektar treba izabrati deo snimka sa što homo-genijim signalom. Treba izbegavati blizinu sinusa, krvnih sudova, kostijukao i prostora ispunjenih vazduhom zbog distorzije spektra usled artefakata)

In Vivo 1H NMR spektroskopija

Normalno tkivo

Epilepsija

Gliom

Supresija oblasti van ROI

MVS (multi voxel spectroscopy) ili CSI (chemical shift imaging)

Spektri se dobijaju iz više pojedinačnih voksela. Tehnika se koristi za dobijanje distribucije pojedinih metabolita u određenom preseku (2D CSI) ili određenoj zapremini (3D CSI).

Prednost: Mape određenog metabolita kod nekih difuznih obolenja ili utrvrđivanje granice patoloških promena tumor/edem (npr.holin kod MR mozga)Kratko ćebe: Broj prikupljenih spektara po voxelu je znatno manji nego kog SVS, usled čega je S/N odnos kod ove tenike znatno slabiji. VREME

In Vivo 1H NMR spektroskopija

In Vivo 31P NMR spektroskopija

Spektar normalnog tkiva

Spektar tumora

Šta sve može MRI?Whole Body Imaging

STIR fat suppressionT1WT2WTotal scan time < 15 min

Works in progress

Patient with liver and bonemetastases

MIP STIR STIR T1W T2W

Courtesy : Dr. H. van den BoschCatharina Hospital Eindhoven, Netherlands

TEHNIKE U MRI Prilagodio za studente VZŠ Dr sci.med. Sava StajićKontrast kod spin – eho sekvencijePowerPoint PresentationVREME = Ma • TR • NEX NEX Signal-šum VREME = Ma • TR • NEX Ma Rezolucija Izbor presekaIstovremeno snimanje više presekaSlide 8FSE (Fast spin-echo) prvo ubrzanjeGRE (Gradient recalled echo) Možemo li još skratiti TR bez uticaja na kontrast?Slide 11EPI (Echo planar imaging)Vreme snimanja zavisi od načina prolaska kroz K-prostorSlide 14Slide 16Krvni sudovi abdomenaKrvni sudovi donjih ekstremitetaDifuzijski MRISlide 20Slide 21Difuzijski MRI krvarenje3D difuzijski MRI – tenzorski DMRI traktografija neravaKontrasti u MRIKako T1 kontrasti menjaju T1W slike?Paramagnetni agensi – potencijalni kontrastiStruktura Gd-kontrasta molekul vode i izmena sa okolinomStruktura Gd-kontrastaKontrasti u MRI – Hematoencefalna barijera - BBBKolenoSlide 31Dinamički MRIDinamički MRI specifičnost MRI dijagnostikeSlide 34Superparamagnetni kontrastiT2* kontrasti Elektronska mikroskopija superparamagnetnih* česticaSlide 37Artefakti u MRI kako ih prepoznati, izbeći i iskoristitiArtefakti u MRI Artefakti porekla neodgovarajućeg podešavanja MRI aparata ili nepoznavanja principa dobijanja slike na MRArtefakti u MRI artefakti kretanja – uvek duž faznog gradijentaArtefakti u MRI artefakti susceptibilnosti – uvek duž frekventnog gradijentaArtefakti u fantomima Zilke šrafSlide 43Osnovna ideja je identifikovati delove korteksa koji su povezani sa određenim funkcijamaSlide 45Slide 46Paradigma sistem stimulacije i sekvencijaKako to radi?fMRI (funkcionalni)fMRISlide 51In Vivo 1H NMR spektroskopijaSlide 53Slide 54In Vivo 31P NMR spektroskopijaŠta sve može MRI?