Modern MRI módszerek az idegsebészetben

Modern MRI módszerek az idegsebészetben

1

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

2

MRI uses hydrogen protons for imaging • The human body is composed predominantly of 12C, 16O, 1H, és 14N • 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

3

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

+

+

+

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

4

5

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

6

The protons precess at a charateristic frequency in a static magnetic field (Larmor frequency) ω = γ/2π Βο ω = Larmor frequency γ = magnetic susceptibility Bo = static magnetic field

7

Larmor frequency at 1.5 Tesla

8

Tacoma Narrows bridge Resonance frequency

9

Protons are excited with RF Lower energy level (Paralel) Higher energy level (Antiparalel) Radiofrequency pulse = energy ω = Larmor frekvencia

10

After excitation protons return to steady state (equilibrium)

T2 (ms) T1 (s) RF emitted by the excited proton system can be detected (Antenna)

11

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 after excitation • T2* relaxation – T2 relaxation speeded up by local magnetic field gradient • T2* relaxation – Functional MRI

12

After excitation protons return to steady state (equilibrium)

T2 (ms) T1 (s) RF emitted by the excited proton system can be detected (Antenna)

13

Imaging Radiofrequency pulse emitted by the sample protons are decoded spatially

14

Imaging Fourier transform of RF waves Fourier transzform

15


16

Vascular response to activation neuron

capillary HbO2 HbO2 HbO2 HbO2 HbO2 dHb 2 HbO dHb 2HbO dHb HbO dHb dHb HbO 2 2 HbO2 HbO HbO2 2 HbO2 HbO2 dHb HbO dHb2 HbO dHb HbO 2 HbO2 HbO HbO dHb HbO HbO HbO 2 2 2 2 2 HbO2 HbO2 2 HbO2

O2 metabolism Blood flow

HbO2 = oxyhemoglobin dHb = deoxyhemoglobin

[dHb]

Blood volume

17

BOLD-signal origin Blood flow

Neuron activation

Metabolism

[dHb]

BOLD signal

Blood volume

Measuring neuronal activity through haemodynamic respons (indirect detection!!) Deoxyhaemoglobin (dHb) paramagnetic BOLD-signal: T2* change (dHb) in the active brain region

18

BOLD vs. Echo time 1–5% change

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

19

Repetitive FMRI experiment on Stimulus pattern

off

on off

on off

on off

off

BOLD-signal change idı • The examined subject should perform a task or the sensory 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

20

Signal Intensity

Activation map and BOLD signal change

Off

On

Off

On

Off

On

Off

On

Scan Number

21

FMRI experiment: analysis

Aktí Aktív

T2*T2*-weighted signal

Passzí Passzív

Model haemodynamic response (HRF)

22

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)

23

Funkcionális MRI klinikai alkalmazása - Paradigmák • Ujjmozgatás (aktív/passzív) => szenzomotoros cortex • Szógenerálás => Broca area • Szövegértés/olvasás => Wernicke area • Villogó sakktábla => vizuális cortex • Hometown walking teszt => hippocampus/vizuális memória

24

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)

25

fMRI: 1T vs. 3T • Comparison: signal alteration

Schwarcz et al. Eur Radiol. 2008

number of activated voxels:

one-tailed, paired t-test (p < 0.05)

26

FMRI vizsgálat Elınyei fMRI

SPECT/PET

Kontrasztanyag

nem szü szüksé kséges szü szüksé kséges

Vizsgá Vizsgálat ideje

5-15 perc

30 perc

Térbeli felbontó felbontóképessé pesség milimé miliméteres

centimé centiméteres

Hozzá Hozzáférhetı rhetıség

megyé megyénké nként

3-5/orszá 5/ország

Ár

többtí bbtízezer Ft többszá bbszázezer Ft

27

Speech areas Word generation

28

Speech areas Story listening

29

Hometown walking test (hippocampus)

30

Memória vizsgálat (Hometown walking)

31

Speech areas:

Word generation at 3T

32

Fájdalom fMRI

33

Visual fMRI

34

Taste fMRI Sugar (sweet) sweet)

Kinine Kinine (bitter) bitter)

35

Sensomotor cortex Central Central Dysgenesis (right side) side)

Passive finger movement (left hand) hand)

Passive finger movement (right hand) hand)

36

3D fMRI-Anatomy

37

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 interictalis rendellenességek • Terápia – Gyógyszerekre rezisztens – Korábbi sebészeti beavatkozás a bal frontalis és parietalis lebenyben, 2001 and 2002 (eredmény nélkül)

38

Ictal FMRI: Epilepsy - LagMap The partial seizure (face myoclonus) myoclonus) begins: begins: 3m 37,5 s

(Pacemaker area)

39

Visualization: Curves with their rising times (m: minute, s: second) red line: clinical seizure (3m 37,5s - 7m 42,5s)

40

Iktális FMRI: Epileszia - Mozi

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

41


42

Sensomotor cortex Passive finger movements

43

Ujjmozgatás/Metastasis

44

Sensomotor cortex Passive finger movements

45

Szövegértés-Hallás/Low grade glioma

46

Szövegértés-Olvasás/Low grade glioma

47

Szógenerálás/AVM

48

Szógenerálás/Low grade glioma

49

Reorganization of Broca area

50

Wernicke

51


52

Diffusion Tensor Imaging

53

Diffusion Tensor Imaging

B0

Dir 01

Dir 02

Dir 03

54

55

Mőtét elıtti kivizsgálás

56

fMRI és diffúziós tenzor képalkotás fúziója neuronavigációhoz

57

Mőtét utáni kontroll

58

Funkcionális MRI a Wernicke-központ megjelenítésére

Low grade glioma a bal temporalis lebenyben

59

60

Fusion of fMRI and DTI Data in 3D

61

62

Case Report Middle aged woman suffered severe accident: accident: - falling from high altitude combined accelerationacceleration-deceleration and impact mechanism - CT showed frontofronto-parietal impressional fracture, fracture, bilateral frontofronto-basal and left convexity contusion - after 2 months still comatose, comatose, no spontaneous movement - SomatoSensoryEvokedPoentials shown severe brain stem damage with no peripheral response to motor cortex stimulation - on T2 images severe subcortical and basal ganglia damage

63

Functional MRI Passive finger movement on both hands:

Only the right somatosensory cortex is activated

64

cranio-caudal direction

medio-lateral direction

sagittal direction

Results-DTI

65 65

Results-DTI Healthy

TBI

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

66 66

67

Ujjmozgatás

68

Szövegértés/hallás

69

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)

70

Összefoglalás Klinkai 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/intraoperatív navigáció

71


72

Proton (H1)MR Spektroszkópia • Nem csak a víz tartalmaz protonokat • Molekulák -CH2 -CH3 Kémiai eltolódás: A molekula kémiai szerkezetének megfelelıen leárnyékolódnak a protonok ezért más frekvencián rezonálnak. A rezonancia frekvencia alapján pontosan azonosíthatóak.

73

The protons precess at a charateristic frequency in a static magnetic field (Larmor frequency) ω = γ/2π Βο ω = Larmor frequency γ = magnetic susceptibility Bo = static magnetic field

74

Kémiai eltolódás víz proton, lipid proton

Víz proton Lipid proton

75

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,Glx Glutamin-Glutamát- excitátoros aminosav Aminosavak-szukcinát-leucin-alanin(tályogok) (glicin,taurin,scyllo inositol, glucose,citrát)

76

MRS segíthet: • • • • • • • •

KIR daganatos elváltozásai Ischaemiás laesiok SM Leukodisztrofiák Epilepszia Alzheimer Betegség Abscessusok Prosztata dagantok

77

Normál agyi spektrum

Fehérállomány

Szürkeállomány

78

MRS szekvenciák • STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode)

PRESS (Point RESolved Spectroscopy)

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

79

Átlagolás szerepe 2

Vízjel 10.000x akkora mint a metabolitok jele 1.75 (a mért jel a protonok számával arányos) 1.5 1.25

Vizet el kell nyomni hogy mérhetıvé váljanak a metabolitok 1

0.75 0.5 0.25

Alacsony metabolit jel miatt zajos a spektrum Átlagolni kell 2

4

6

8

10

80

Laktát echoidı függése (SVS SingleVoxelSpectroscopy)

30ms

144ms

glioma

288ms

81

Multivoxel technologia

82

Meningeoma

83

Ép Középsı rész

Széli rész

84

Laktát és Cholin/Creatinin metabolit térképek

85


86

Quantitative measurement of rCBV and Kt of BBB using DSC MRI at low field (1T) in brain tumour Attila Schwarcz1,2, Tibor Auer1, Mihá Mihály Aradi1, Tibor Csendes3, Attila Kozma3, 2 1,4 Ferenc Kövér , Tamá Tamás Dóczi 1University

of Pecs, Pecs, Department of Neurosurgery, Pecs, Pecs, Hungary Diagnostic Centre, Pecs, Pecs, Hungary 3University of Szeged, Szeged, Faculty of Science and Informatics , Szeged, Szeged, Hungary 4Hungarian Academy of Sciences, Sciences, Clinical Neurscience Research Group, Group, Pécs, cs, Hungary 2Pécs

87

BBB-opening

• pathologies: pathologies: stroke, tumor, multiple sclerosis, traumatic brain injury, injury, bacterial meningitis • entry of blood proteins -> edema formation -> neuronal damage

88

BBB-opening – Contrast-enchanced MRI – T1W image: signal increase – T2* weighted image: signal decrease – Signal increase/decrease over time may characterize BBB

89

Method • Patient: – 45 yearyear-old – metastatic brain tumour • MRMR-acquisition at 1T – 3D FLASH (T2* weighting) weighting) – TR/TE/FA/BW = 1000ms/80ms/30 1000ms/80ms/30ºº/750Hz – VoxelVoxel-size = 3mm*3mm 3mm*3mm**3mm – Number of slices = 6 – SeriesSeries-time = 120s – At the 20th measurement: iv. 0.1mmol/bwkg of gadolinium (Magnevist (Magnevist))

90

Analysis I. S=S0exp(-Cr2*TE)

S: actual signal intensity S0: signal intesity at t=0 r2*: 1/T2* TE: echo time C: tracer concentration

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

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

91

Analysis II. Ve

dCe = KTRANS (Cp − Ce ) dt

Ce =

KTRANS t  KTRANS  ( Cp (t ' )exp − t − t ' )dt ' ∫ Ve 0 Ve  

C t = V pCp + V e Ce

Ve: fractional extracellular volume Ce: extracellular tracer concentration Vp: fractional plasma volume Cp: plasma tracer concentration Ct: total tissue tracer concentration KTRANS: permeability transfer constant

t  KTRANS  ( Ct = VpCp + KTRANS ∫ Cp (t ' )exp − t − t ' )dt ' 0 Ve  

Johnson et al., al., MRM 51:96151:961-968;2004

92

Analysis III. The fit was carried out with MatLab 6.5 (University of Szeged, Faculty of Science and Informatics) t  KTRANS  ( Ct = VpCp + KTRANS ∫ Cp (t ' )exp − t − t ' )dt ' 0 Ve  

Ve: fractional extracellular volume Ce: extracellular tracer concentration Vp: fractional plasma volume Cp: plasma tracer concentration Ct: total tissue tracer concentration KTRANS: permeability transfer constant

Vp, Ve, KTRANS were determined as fit parameters rCBV = Vp / (1-haematocrite)

93

BBB-opening Dynamic Susceptibility(T2*) -weighted Contrast-enchanced (DSC) MRI

time

quantitative information: information: relative Cerebral Blood Volume (rCBV) rCBV) permeability (KTRANS)

94

Results

• Splasma – normal WM

St – tumour

• Cplasma – normal WM

Ct – tumour

95

Results • KTRANS = 0,0012s0,0012s-1 (0,00053(0,00053-0,0020 ss-1) rCBV = 1,125% (0,04(0,04-12%). 12%). • Goo Good agreement with literature range (in parenthesis) parenthesis) • According to these parameters the state of the BBB refers to a malignant tumour with low blood volume • For comparison, comparison, rCBV of normal WM ≈ 2%

96

Conclusion

• We managed to setup a method able to quantitatively determine the state of the BBB at 1T • We may assume: assume: – dignity – grade Usefullness: Usefullness: – Diagnosis – Monitoring (closing (closing of the BBB e.g. e.g. in radiotherapy) radiotherapy) • Future: Future: smaller contrast material -> able to detect discret leakage of BBB

97

Modern MRI módszerek az idegsebészetben

Recommend Documents