NeurokognitywistykaWYKŁAD 5

Nowe metody badawcze

Obrazowanie anatomii i patologii mózgu metodą

MRI (Magnetic Interference Resonance).

Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski

Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego

Obrazowanie magnetyczno-

rezonansowe

• Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang.

MRI, magnetic resonance imaging) nazywane jest

też tomografią magnetycznego rezonansu

jądrowego (NMR - Nuclear Magnetic Resonance).

• MRI jest nieinwazyjną, stosunkowo bezpieczną dla

pacjenta/badanego metodą uzyskiwania obrazów

narządów wewnętrznych (przekrojów w dowolnej

płaszczyźnie, trójwymiarowych rekonstrukcji).

• Można nią także badać tkanki martwe i obiekty

nieorganiczne.

Tomograf MRI

• Największą częścią aparatu MRI jest ogromny i bardzo silny elektromagnes o polu stałym (w badaniach ludzi 1.5 – 7 Tesla). Ponadto w jego skład wchodzą elektromagnesy pomocnicze oraz zestaw czujnikówpromieniowania w zakresie fal radiowych.

• Czujniki położone są wokół otworu w elektromagnesie i odbierają ukierunkowaną emisję wzbudzonych fal radiowych.

• Złożone emisje fal, zarejestrowane przez czujniki, są zapisywane w komputerze i przetwarzane na dwuwymiarowy obraz położenia źródeł promieniowania.

• Przesuwanie obiektu badanego w płaszczyźnie horyzontalnej dodaje trzeci wymiar.

Tomograf MRI

• Osoba badana jest układana na specjalnym wózku i unieruchamiana, a następnie wraz z wózkiem wprowadzana do wnętrza elektromagnesu. Zależnie od celu, badanie trwa od kilku minut do kilku godzin.

• Ogromny elektromagnes urządzenia zużywa bardzo dużo energii i wytwarza wysoki poziom hałasu.

• Po wyłączeniu, potrzeba kilku dni, aby ustabilizować jego pracę.

Obrazy MRI

• Od lewej:

• - obraz pokazujący przekrój strzałkowy (płaszczyzna pionowa) przez środek głowy człowieka;

• - obraz przekroju horyzontalnego przez głowę człowieka;

• - obraz przekroju czołowego przez jamę brzuszną człowieka.

Obrazowanie MRI• MRI jest w tej chwili jedną z najważniejszych technik

diagnostyki obrazowej. Na obrazach MRI można

rozpoznać zarówno struktury prawidłowe, jak i zmiany

patologiczne.

• MRI daje obrazy o dużym kontraście, ale kosztem dość

niskiej rozdzielczości przestrzennej (w zastosowaniach

medycznych ok. 2-10 mm, w zastosowaniach naukowych

nawet 50 mikronów).

• Zależnie od typu rejestracji i koniecznej rozdzielczości,

tworzenie jednego obrazu może trwać od 0.5 s do

kilkudziesięciu godzin.

• W czasie dłuższego badania możliwe jest powtarzanie

obrazowania i uzyskanie obrazu dynamiki zmian.

Zastosowania obrazowania MRI

• W medycynie ludzkiej i weterynaryjnej MRI jest jedną z podstawowych technik diagnostyki obrazowej.

• Przykłady zastosowań medycznych: diagnostyka nowotworów, obrazowanie przebiegu naczyń i ich zwężeń (angiografia), ocena zmian spowodowanych leczeniem, obrazowanie narządów przed radioterapią.

• W badaniach naukowych prowadzonych in vivo na zwierzętach lub ludziach MRI umożliwia nieinwazyjne porównywanie anatomii mózgu różnych osób/osobników i badanie dynamiki zmian związanych z ich rozwojem, starzeniem, rozwojem patologii i skutkami leczenia.

Jak wynaleziono obrazowanie

magnetyczno-rezonansowe?• Zjawisko rezonansu magnetycznego (MR) zostało

przewidziane przez teorię kwantową w latach 1930-tych.

• Sposób analizy sygnału emitowanego przez jądra atomowe w zmiennym polu magnetycznym został opisany w 1946 roku przez F. Blocha i E.M. Purcella. W 1952 roku jej twórcy otrzymali nagrode Nobla za to osiągnięcie.

• W 1952 H. Carr (USA) zarejestrował jednowymiarowy sygnał emisji rezonansowej o złożonym przebiegu.

Nieudane próby stworzenia obrazowania

magnetyczno-rezonansowego

• W 1960 profesor fizyki Władysław Iwanow złożył do władz Akademii Nauk Rosji w Leningradzie projekt skanera MRI pozwalającego tworzyć dwuwymiarowe obrazy struktur, z prośbą o sfinansowanie. Przez 10 nie otrzymał odpowiedzi.

•

• W 1971 Raymond Damadian, profesor State University of New York, opublikował w Science i opatentował urządzenie do wykrywania nowotworów, oparte na zjawisku rezonansu magnetycznego. Używał do analizy niewłaściwej komponenty złożonego sygnału, więc urządzenie nie znalazło praktycznego zastosowania.

• Paul Lauterbur (U. Stony Brook) rozwinął obrazowanie oparte na analizie gradientów (siły) sygnałów rejestrowanych przez różne czujniki. W 1973 opublikował pierwszy obraz uzyskany tą metodą, a w 1974 pierwszy obraz przekroju przez żywą mysz.

• W końcu lat 1970-tych Peter Mansfield, profesor fizyki na U.Nottingham w Anglii opracował narzędzia matematyczne, które umożliwiały otrzymanie dużo lepszego obrazu, skracając jednocześnie czas analizy z godzin do sekund.

• W roku 2003 Lauterbur i Mansfield otrzymali nagrodę Nobla za swój wkład w obrazowanie MRI.

• W roku 1980 Paul Bottomley (USA) zbudował pierwszą maszynę działającą na takich zasadach, jak współczesne MRI.

• Obecnie skanery MRI są powszechnie stosowane w medycynie ludzkiej i weterynaryjnej, oraz w badaniach naukowych.

Jak wynaleziono obrazowanie

magnetyczno-rezonansowe?

Fizyczne podstawy

obrazowania MRI

• Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe

• (MRI) opiera się na zjawisku jądrowego

• rezonansu magnetycznego (MR).

• Jest to zjawisko, które zostało przewidziane i wyjaśnione przez teorię kwantową.

• Teoria kwantowa przewiduje, że cząstki elementarne jąder (w szczególności protony), w silnym polu magnetycznym zachowują się jak dipole (mają magnetyczny biegun dodatni i ujemny).

• Najliczniejsze w przyrodzie jądro stające się w polu magnetycznym dipolem, to jądro wodoru. Ponad 80% jąder wodoru wchodzących w skład naszego ciała wchodzi w skład cząsteczek wody.

Fizyczne podstawy

obrazowania MRI• Dipole o nieparzystej liczbie protonów (na

przykład jądra wodoru = 1 proton) zachowują się jak planety, to jest wirują wokół własnej osi. W fizyce mówimy, że cząsteczki te mają różny od zera (niezerowy) magnetyczny moment obrotu(„spin”).

• Spin jest to własny (nie wynikający z ruchu danej cząsteczki w przestrzeni) momentpędu (moment obrotowy) tej cząsteczki w układzie, w którym ona spoczywa. Każdy rodzaj cząstek elementarnych ma charakterystyczny dla siebie spin.

• Gdy na cząsteczki elementarne nie oddziałuje zewnętrzne pole magnetyczne, spiny protonów są dipolami, których osie są ułożone w przypadkowych kierunkach.

Podstawą zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest oddziaływanie magnetycznych spinówjądrowych z zewnętrznymi polamimagnetycznymi

Polaryzacja spinów cząstek

elementarnych w polu magnetycznym• Przypadkowo ukierunkowane osie dipolów w jadrze można

uporządkować silnym stałym polem magnetycznym.

• Kiedy na jądra atomów o momencie magnetycznym (spinie) różnym od zera działa stałe, silne polemagnetyczne, to porządkuje ono orientację spinów: wszystkie osie magnetyczne cząsteczek elementarnych ustawiają się w tym samym kierunku.

• Nie zmienia to położenia tych cząsteczek w przestrzeni (nie przemieszcza ich).

Zmiany kierunku spinu

w stałym polu magnetycznym• Koordynując oś spinu z kierunkiem stałego pola

magnetycznego, protony emitują falę elektromagnetyczną w zakresie fal radiowych..

• Wpływem innego pola o częstotliwościach rezonansowych można odwrócić kierunek spinów z „góry” na „dół” i odwrotnie.

• Każda zmiana kierunku spinu powoduje emisję jeszcze innego sygnału elektromagnetycznego.

Kierunki spinu jądrowego, stany

energetyczne, statystyka.• W mechanice kwantowej dwóm kierunkom spinu

(oznaczanym + i -) odpowiadają dwa różne poziomy energetyczne, czyli dwa „stany własne” momentu pędu jądra.

• Stanom własnym energii odpowiadają tzw. populacje, opisane statystyką Boltzmanna.

• W temperaturach pokojowych, w stanie równowagitermodynamicznej istnieje tylko niewielka nadwyżka spinów (ok. 1 na 100 tys.) znajdujących się w stanie o niższej energii (zgodnie z polem ) i tylko tą różnicę możemy zaobserwowaćeksperymentalnie w stałych warunkach.

Odwrócenie kierunku polaryzacji• Kiedy na tak uporządkowane (spolaryzowane) dipole

podziałamy innym polem magnetycznym, które obraca się(wiruje) w płaszczyźnie prostopadłej do pola głównego, to dla pewnej ściśle określonej częstości tej rotacji (czyli określonej długości fali) obserwuje się oddziaływanie między polem a kierunkiem magnetyzacji próbki.

• Efektem tego oddziaływania jest wyprowadzeniemagnetyzacji z położenia równowagi, w którym początkowo się znajdowała i odwrócenie kierunku magnetyzacji (rys. 3).

• Odwracając polaryzację, spiny o niższym poziomie energetycznym pochłaniają energię, a zatem osiągają wyższy poziom energetyczny.

Emisja sygnału relaksacji i jego

wykrywanie • Kiedy następnie wyłączymy wirujące pole magnetyczne,

spiny spontanicznie powracają do poprzedniej orientacji (o niższej energii), emitując kwanty o częstotliwości właściwej dla danej cząstki elementarnej, jądra atomowego lub cząsteczki chemicznej (faza relaksacji).

• Fale (kwanty) wysyłane podczas relaksacji są wykrywane, a źródło tego promieniowania może być zlokalizowane w przestrzeni podczas rejestracji MRI.

Wirujące cząsteczki elementarne

Precesja• Oś wirującego dipolu

magnetycznego zatacza kręgi wokół kierunku pola głównego (jak bączek). Jest to nazywane precesją.

• Tak też wiruje ziemia. Jej cykl precesji trwa 26 000 lat.

• Precesja wirujących cząsteczek wytwarza odrębny sygnał (emisję fal), który również można zarejestrować przy pomocy specjalnych detektorów.

• Po odpowiednim przekształceniu, jest to jeszcze jeden sygnał pozwalający zlokalizować położenie dipolu w przestrzeni.

Rejestracja sygnałów MRI

PODSUMOWANIE• ● Podstawą magnetycznego rezonansu jądrowego jest wykrywanie

zmian magnetyzacji cząstek, gdy ciało o makroskopowych wymiarach z nich złożone umieszczone jest w polu magnetycznym złożonym z dwu pól składowych:

• ● - pola nieruchomego;

• ● - pola zmiennego, którego wektor natężenia wiruje z pewną, ściśle określoną prędkością kątową;

• ● Pole nieruchome polaryzuje osie magnetyzacji dipoli. Wirujące dipole magnetyczne mają precesję, którą można wykrywać, a miejsce emisji jej sygnału lokalizować.

• Pole ruchome odwraca „siłą” (z nakładem energii) polaryzację magnetyczną cząstek

• Spontaniczny powrót części cząsteczek do dawnej polaryzacji, po zmianie kierunku pola uwalnia kwanty energii, które można również wykrywać i lokalizować.

• Modulowanie pola głównego przez pole ruchome i jednoczesny pomiar sygnału rezonansu magnetycznego są podstawą rejestracji MRI.

Budowa aparatu MRI

• Zewnętrzną część aparatu MRI stanowi cewka główna, wytwarzająca stałe pole magnetyczne o dużym natężeniu (B0).

• Wewnątrz są cewki wytwarzające zmienne pole magnetyczne (B1 - B3) w trzech prostopadłych kierunkach, oraz czujniki (rejestratory).

• Czujniki (niebieskie) wykrywają emitowane sygnały.

Aparatura MRI:

Elektromagnesy i elektronika

Schemat rejestracji MRI• Za pomocą wirującego pola

B1, znacznie słabszego od

stałego pola B0 i

przesuniętego w fazie o 900

możemy zmieniać kierunek

wektora magnetyzacji

cząsteczek elementarnych,

pod warunkiem, że prędkość

kątowa wektora B1 jest

równa prędkości kątowej

precesji cząsteczek .

• Emitowany sygnał relaksacji

jest bardzo złożony i musi

zostać poddany obróbce za

pomocą specjalnych

programów komputerowych.

Magnes stały tomografu o indukcji 1,5T (Tesla) wytwarza pole magnetyczne ok 30 000 razy silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego. Do celów badawczych używa się aparatów o sile 3-12T.

Rejestracja MRI

• Badany obiekt umieszczany jest w silnym

stałym polu magnetycznym, wytwarzającym

siłę przyciągania około 30 000 razy większą

od siły przyciągania ziemi, z nałożonym

zmiennym polem w trzech kierunkach

(X,Y,Z).

• Obraz jest tworzony przez analizę i

integrację czaso-przestrzenną odpowiedzi

obiektów (dipoli), to jest wygenerowanych fal

elektromagnetycznych o częstotliwościach

radiowych (16-64 kHz).

Metale zakłócają rejestrację MRI• Obecnie w chirurgii stosuje się szereg sposobów

leczenia wymagających wprowadzenia do organizmu elementów metalowych.

• Są to: protezy naczyniowe, stenty, spirale, klipsy naczyniowe, szwy metalowe, protezy stawów, materiały służące do zespoleń w ortopedii.

• Wszystkie one zakłócają rejestrację obrazów tomograficznych (CT), MRI i fMRI, ograniczając wartość diagnostyczną nowoczesnych badań obrazowych. Gdy elementy metalowe są większe, to uniemożliwiają rejestrację.

• Obecność wszczepów metalowych może też doprowadzić do uszkodzeń mechanicznych tkanek w silnym polu magnetycznym.

• Przegrzanie tkanek w okolicy wszczepów może prowadzić do reakcji zapalnej.

Rejestracja sygnałów MRI

PODSUMOWANIE• ● Podstawą magnetycznego rezonansu jądrowego jest wykrywanie zmian

magnetyzacji cząstek elementarnych, gdy ciało o makroskopowych wymiarach umieszczone jest w polu magnetycznym złożonym z dwu pólskładowych:

• ● - pola nieruchomego, które polaryzuje osie magnetyzacji. Wokół tych osi odbywa się precesja, wytwarzająca sygnał, który można wykrywać i lokalizować.

• ● - pola zmiennego, którego wektor natężenia wiruje z pewną, ściśle określoną prędkością kątową, a następnie jest wyłączany. Obecnie na ogół nie stosuje się pól wirujących, gdyż do wywołania zjawiska rezonansu jądrowego wystarczy drgające pole magnetyczne, wytworzone przez jedną cewkę, której oś znajduje się w płaszczyźnie XY.

• Pole ruchome odwraca „siłą” (z nakładem energii) polaryzację magnetyczną cząstek.

• Spontaniczny powrót części cząstek do dawnej polaryzacji uwalnia kwanty energii w zakresie fal radiowych, które można również wykrywać i lokalizować.

• Modulowanie pola głównego i jednoczesny pomiar sygnału rezonansu magnetycznego są podstawą rejestracji MRI.

Sygnały używane w tomografii

magnetycznego rezonansu

jądrowego• Pomiarowi podlega:

• ● Ilość zaabsorbowanej energii, co daje informację o gęstości protonów. Różne związki chemiczne i tkanki różnią się gętością upakowania w nich protonów.

• ● Wielkość energii E (informacja o częstotliwości precesji a więc o wielkości pola B w otoczeniu)

• ● Czas relaksacji spinu

Odmiany rejestracji MRI

• Obrazowanie MR może być przeprowadzone na podstawie analizy różnych sygnałów („w różnych sekwencjach”).

• Nieznaczne zmiany w ustawieniu podstawowych parametrów obrazowania mogą doprowadzić do uzyskania nieco odmiennych danych, mających różne możliwości diagnostyczne.

• Najczęściej rejestruje się dwa różne czasy relaksacji T1 i T2

Rekonstrukcja mapy MRI

• W czasie jednej sesji zbierane są

miliony pojedynczych sygnałów.

• Są one następnie przetwarzane

• w programach komputerowych, które

konstruują mapy natężenia

sygnału w różnych punktach przestrzeni badanego obiektu. Natężenie to odpowiada koncentracji jąder o nieparzystej liczbie protonów w przestrzeni .

• Jeśli koordynaty przestrzeni, w jakiej znajduje się próbka sąznane, to informacja przestrzenna może zostać odkodowana a zbiór sygnałów (widm) o różnym czasie rejestracji może zostać zamieniony na trójwymiarowy obraz próbki.

• Odkodowanie obrazu nazywane jest jego rekonstrukcją.

Co naprawdę obrazujemy przy

pomocy MRI?• Każde jadro o nieparzystej liczbie protonów umieszczone w

silnym polu magnetycznym może emitować energię użyteczną dla analizy MRI

• Najczęściej wykorzystywanym w obrazowaniu MRI jądrem rezonansowym jest pojedynczy proton — jądro atomu wodoruwystępujące powszechnie w obiektach biologicznych, w szczególności w cząsteczkach wody. W ciele człowieka (i innych zwierząt) ponad 80% atomów to atomy wodoru, one więc dają najsilniejszy sygnał. Około 90% tych atomów, to wodór tworzący cząsteczki wody.

• Stopień uwodnienia tkanek i proporcja roztworów wodnych do ciał tłuszczowych w badanej przestrzeni są najważniejszymi zmiennymi, powodującymi różnice natężenia generowanego sygnału w różnych punktach badanego obiektu, n.p. układu nerwowego.

Rodzaje rejestracji MRI• Ze względu na parametry podstawowe, metody

obrazowania dzieli się na:• obrazy T1-zależne, najlepiej oddające wizualnie strukturę

anatomiczną mózgu, gdzie istota biała jest ukazywana w jasnych kolorach, zaś istota szara w ciemnych, płyn mózgowo-rdzeniowy, ropnie i guzy na ciemno, a n.p. miąższ wątroby na jasno.

• obrazy T2-zależne, na których istota biała ukazywana jest w ciemniejszych barwach, zaś istota szara – w jaśniejszych, płyn mózgowo-rdzeniowy, guz, ropień, naczyniak wątroby i śledziona – na jasno, a wątroba i trzustka – na ciemno.

• FLAIR (ang. Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pewna modyfikacja sekwencji T2-zależnej, gdzie obszary z małą zawartościąwody ukazywane są w ciemniejszych barwach, zaś obszary z dużą zawartością wody – w jaśniejszych. Obrazowanie w tej sekwencji jest stosowane w wykrywaniu chorób demielinizacyjnych.

• Obrazowanie dyfuzyjne mierzy parametry dyfuzji cząsteczek wody w tkance. Wyróżnia się tutaj następujące techniki: obrazowanie tensora dyfuzji (ang. DTI – diffusion tensor imaging), które może być zaadaptowane do obrazowania kierunku przebiegu włókien w istociebiałej, oraz obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. DWI – diffusion-weighted imaging), które skutecznie obrazuje zakres patologii poudarach mózgu.

Fazy rejestracji T1 i T2

• W „stanie równowagi” (gdy nie działają na nie zewnętrzne siły elektromagnetyczne) spiny emitują energię odbieraną jako sygnał T1.

• Spiny są następnie wytrącane z równowagi przez impuls magnetyczny o kierunku poprzecznym do osi ich rotacji.

• Po ustaniu tego impulsu magnetyzacja zanika, wyzwalając energię w postaci sygnału T2.

Czasy relaksacji T1 i T2 dla

różnych tkanek

Skany MRI kolana i całego

ludzkiego ciała

Arbitralnie dodane kolory

oznaczją różny stopień

uwodnienia tkanek.

Różnicuje to wyraźnie tkanki

uwodnione, zmineralizowane i

zawierające dużo tłuszczu

Wynik obrazowania MRI:

rekonstrukcja obrazu przekroju

przez głowę żyjącego człowieka

Przekształcenia serii przecięć,

trójwymiarowe wizualizacje

• Seria skanów mózgu

w linii strzałkowej • Rekonstrukcja przebiegu

naczyń mózgu

Stwardnienie rozsiane (SM)

Rejestracja MRI-T2FLAIR. Obraz jest tym jaśniejszy, im więcej jest w tkance wody.

Jasne obszary na przekroju pokazują obszary objęte procesem chorobowym (demielinizacja aksonów) w wyniku reakcji autoimmunologicznej.

Starzenie się mózgu człowieka i psa

Obrazowanie MRI pokazuje podobne

zmiany u starzejących się ludzi i zwierząt.

Zmniejszanie się grubości istoty szarej powoduje

rozszerzenie komór mózgu.

Obrazowanie tensora dyfuzji

• Aksony są rurkami z substancji tłuszczowych, w których znajduje się nasycona wodą plazma komórkowa.

• Cząsteczki wody, wraz z ich atomami wodoru, nie mogą w nich wykonywać ruchów Browna z tym samym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach.

• Możliwe jest zobrazowanie nierównomierności kierunku ruchów Browna wody w aksonach, co wyznacza trasę i kierunek przebiegu włókien nerwowych.

Obrazowanie szlaków włókien w żywym

mózgu przy pomocy analizy tensora

dyfuzji (DTI) - traktografia

Kolory są dodawane sztucznie, dla lepszego śledzenia

przebiegu poszczególnych pęczków włókien, łączących różne

struktury.

Komputerowe atlasy mózgu MRI• Prof. Wiesław Nowiński.

• 1977 ukończył elektronikę

na Politechnice

Warszawskiej. Pracował w

PAN nad rekonstrukcją

obrazów w tomografii

komputerowej.

• W 1991 wyjechał do

Singapuru, gdzie opracował

pierwszy komputerowy atlas

mózgu ludzkiego.

Stworzył 34 komputerowe atlasy mózgu, używane w czasie większości operacji

chirurgicznych na całym świecie.

Autor ponad 500 publikacji naukowych.

32 patenty w USA i UE. Wykłady w USA, Singapurze i Chinach.

Wiele wysokich międzynarodowych nagród, w tym Europejski Wynalazca Roku 2014.

Obecnie jest profesorem UKSW.

Chce tworzyć atlasy komputerowe wszystkich narządów ciała.

Pytanie

1. Jak powstają i do jakich celów służą rejestracje magnetycznego rezonansu jądrowego (MRI)