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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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