Obrazowanie funkcjonalne

METODY WIZUALIZACJI I PRZYŻYCIOWEJ ILOŚCIOWEJ OCENY LOKALNEGO POZIOMU METABOLIZMU I LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI W MÓZGU Metody wykorzystujące jądrowy rezonans magnetyczny MRJ: techniki „diffusion weighted imaging” i pochodne (mapy współczynnika dyfuzji, tensor dyfuzji etc) Zastosowanie tensora dyfuzji Czynnościowe obrazowanie oparte o dyfuzję MRJ: „perfusion weighted imaging” fMRJ TECHNIKA „BOLD” (blood oxygenation level dependent) Zlokalizowana spektroskopia MRJ Metody z użyciem izotopów i znakowanych nimi substancji SPECT (Single photon emission computed tomography) PET (positron emission tomography)

Podstawy MRJ zasadnicza terminologia Niezerowy spin jądrowy: 1H, 13C, 15N, 17O,19F, 23Na i 31P Magnetyzacja podłużna Równanie precesji Larmora Cewka radiowej częstotliwości (RF) Sygnał zaniku swobodnej indukcji FID Relaksacja podłuzna spin-sieć (stała czasowa T1) Relaksacja poprzeczna spin-spin (stała czasowa „rozfazowania” - T2) Echo spinowe Częstość precesji Larmora w = g B Częstość precesji dla wodoru przy 1T = 42,58 MHz

Relaksacja namagnesowania po wyłączeniu impulsu 90o Powrót M do kierunku równoległego do Bo Relaksacja składowej poprzecznej –> utrata koherencji

Czasy relaksacji T1 i T2 Oddziaływanie spin-sieć Składowa podłużna ML wraca do M ze stałą czasową T1 Oddziaływanie spin-spin Składowa poprzeczna ze stałą czasową T2

Zasada i sposób wywołania echa spinowego

czas repetycji (TR) jest to czas, który upływa pomiędzy jednym a drugim (kolejnym) impulsem π/2 czas echa (TE). jest to czas jaki upływa od impulsu π/2 do pojawienia się echa a określa się go poprzez ustalenie czasu w jakim podany będzie impuls π, który wyznacza połowę TE. T1 waha się od 300 do 3000 msek T2 dobierany jest w granicach 30 do 150 msek.

T1 = „czas” relaksacji podłużnej, T2 = „czas” relaksacji poprzecznej. T1 waha się od 300 do 3000 msek T2 dobierany jest w granicach 30 do 150 msek. FID odzwierciedla wirujacy WEKTOR MAGNETYZACJI Spiny „rozfazowują się” na skutek: a) niejednorodności pola magnetycznego oraz („leczymy” to echem spinowym) – b) przez wzajemne oddziaływania spinów (oddziaływanie spin-spin).

Podstawowe typy kontrastu Uzyskiwane dobieraniem różnych czasów tzw. repetycji (TR – między impulsami „π/2”) i czasem echa (TE – impulsy „π”) Ważenie T1 Ważenie T2 Ważenie PD (gęstością protonową) Uzyskiwane dodatkowymi silnymi gradientami („dyfuzyjnymi” przed i po impulsie „π”) Ważenie Dyfuzją (DW)

JAKI RODZAJ KONTRASTU OTRZYMAMY W REZULTATACIE ZASTOSOWANA SEKWENCJA JAKI RODZAJ KONTRASTU OTRZYMAMY W REZULTATACIE TR dłuższy (np. 2000 msek.) TE krótszy (np. 20 msek.) Ważenie PD (od. ang. „proton density”, = „gęstość protonowa”) TR krótszy (np. 500 msek.) TE krótki (np. 20 msek.) Ważenie T1 TE dłuższy (np. 100 msek.) Ważenie T2

„Orkiestracja” impulsu RF i gradientów FID „odczytywany” czyli w fazie trwania gradientu odczytu Gy – „gradient kodowania w fazie” Gx – „gradient odczytu (readout gradient)” (FID) = gradient kodowania w częstotliwości

Obrazowanie dyfuzji MR Kontrast DW (Diffusion weighted images) Anizotropia dyfuzji Tensor dyfuzji Fibertracking

1905 (rocznica w 2005 !) równanie dyfuzji Einsteina-Smoluchowskiego Einstein Albert. 1905 "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" ("On the Motion--Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat--of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid") Annalen der Physike, 17, 549-554 Von Smoluchowski Maryan. 1906. „Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekulärbevegung und der Suspensionen” Annalen der Physike 21:756-780. Dystans dyfuzji 1905 (rocznica w 2005 !)

Von Smoluchowski Maryan (1872-1917) Profesor uniwersytetu we Lwowie (od 1900) i UJ (od 1913). Przedrzemaliśmy w letargu wiele dziesiątków lat, podczas, gdy świat pędził dalej w szalonym tempie. Czas najwyższy żebyśmy się zorientowali, że żyjemy w XX wieku, i żebyśmy sobie kuli broń, którą walczy się w czasach dzisiejszych, t.j. wyszkolenie w naukach ścisłych, znajomość praw przyrody, umiejętności techniczne, obrotność gospodarską." /M. Smoluchowski/ XXI

1 min 15 sek 4 min 16 min

Współczynnik D dla swobodnej dyfuzji wody w temp. 37 oC Współczynnik D dla swobodnej dyfuzji wody w temp. 37 oC* wynosi 3 x 10-9 m2/sek (3 x 10-3 mm2/sek) co daje przeciętny dystans dyfuzji 17m na 50 ms * dla temp. pokojowej 20 oC* D = 2,2 x 10-3 mm2/sek Cząsteczka wody w czasie 50 msek „podróżuje” ok. 10m (Le Bihan i wsp. JMRI 13:534; 2001) Z rozkładu Gaussa wynika, że ok. 32% molekuł przesunęło się o co najmniej taki dystans a tylko 5% osiągnęło więcej niż 34 m (2x więcej)

SE DTI sequence

Restrykcja i anizotropia dyfuzji „restriced diffusion” 1974 (Cooper, Chang, Young i wsp.) Wykorzystując restrykcję dyfuzji w MRJ możemy „zejść” z rozdzielczością obrazowania do poziomu komórkowego nie ingerując w procesy chemiczne i metaboliczne !

Przesunięcie fazy magnetyzacji poprzecznej wywołane gradientem dyfuzyjnym wzdłuż osi „z” jest dane wzorem: G = wartość gradientu = współczynnik magnetogiryczny δ = czas trwania impulsu Sekwencja Stejskala-Tannera

Następny gradient dyfuzyjny w tej samej osi „z” po pulsie 180o () powoduje „odwrotne” przesunięcie fazy magnetyzacji poprzecznej:

Zdefazowanie „netto” po obu gradientach w osi „z” wyniesie: D = 21,5 ms

[s/mm2]

IZOTROPIA – ANIZOTROPIA Jeśli dyfuzja jest izotropowa - wystarczy „skalarna” wartości współczynnika dyfuzji ADC Jeśli dyfuzja jest anizotropowa - konieczne wskazanie jej wartości w różnych kierunkach w przestrzeni np. dla trzech ortogonalnych osi „układu laboratoryjnego” x,y,z, Stosując sekwencje „dyfuzyjne” w odpowiednich gradientach dla poszczególnych osi możemy obliczyć odpowiednio współczynniki dyfuzji: ADCx ADCy ADCz Jeśli dyfuzja jest izotropowa wystarczy skalarny ADC Jeśli jest anizotropowa oprócz uśrednionej wartości potrzeba znać wartości w kierunkach ortogonalnych w przestrzeni (x,y,z,) ADC (x) ADC (y) ADC (z)

Rdzeń kręgowy sag ref, DW, ADC (apparent diffusion coefficient)