Fysische principes van functioneel hersenonderzoek

1. Fysische principes van functioneel hersenonderzoek Prof. Dr. Jan Sijbers Universiteit Antwerpen (CDE) Universiteitsplein 1, N.1.13 2610 Wilrijk Tel: 03 820 24 64 jan.sijbers@ua.ac.be

2. Overzicht • Geschiedenis: van NMR naar MRI tot fMRI • NMR: fysica van de protonen • MRI: magnetische resonantie beeldvorming • fMRI: functionele magnetische resonantie beeldvorming

3. Een beetje geschiedenis Van NMR naar MRI tot fMRI → →

4. Geschiedenis: NMR→ MRI → fMRI • NMR = nuclear magnetic resonance • Felix Bloch en Edward Purcell • 1946: atoomkernen absorberen en emitteren RF straling Bloch Purcell • 1952: nobel prijs Fysica • NMR → MRI

5. Geschiedenis: NMR → MRI → fMRI • MRI • 1973: Lauterbur beschrijft hoe NMR gebruikt kan worden voor beeldvorming • 1977: eerste clinische MRI scanner wordt gepatenteerd (Damadian) • 1977: Mansfield beschrijft echo planar imaging EPI, een techniek om zeer snel beelden op te nemen Lauterbur: Nobel Prijs 2003

6. Geschiedenis: NMR → MRI → fMRI • fMRI • 1990: Ogawa observeert het BOLD effect met T2*; bloed wordt meer zichtbaar bij vermindering van zuurstof oxyhaemoglobine • 1991: Belliveau observeert functionele beeldvorming met een contraststof • 1992: Ogawa + Kwong: eerste fMRI beeld via BOLD effect deoxyhaemoglobine

7. fMRI activatie Flikkerend bord OFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s) Brain Activity Kwong et al., 1992 Time 

8. Principes van NMR

9. Atomen en kernspin • sommige atoomkernen hebben een magnetisch moment (1H, 31P, 13C, 19F) • waterstofkern (1H) • H-atomen zijn veelvuldig aanwezig in het lichaam

10. Atomen en magnetische spins

11. Atomen in een magneetveld B0 = 3 T = 30,000 gauss (Aard magneetveld = 0.5 gauss)

12. Open en gesloten MR systemen

13. Atomen en magnetische spins Resulterende magnetisatie Voor elke 100.000 protonen bij 3T, zijn er 2 “extra” gericht volgens het aangelegd magneetveld

14. Precessie in een magneetveld Larmor frequentie Magnetische dipool in een magneetveld Analogie: tol in gravitatieveld

15. RF straling: zenden en ontvangen • door insturen van een RF golf kan je een magnetisatie onder een hoek laten precesseren • een precesserende magnetisatie genereert zelf een RF golf • deze straling wordt opgevangen door een spoel

16. RF puls • precesserende magnetisatie • frequentie: • magnetisatie staat stil in een assenkruis, draaiend met frequentie

17. Magnetische resonantie • instralen met de resonantiefrequentie • omklappen van de magnetisatie mogelijk • instralen met een andere frequentie • omklappen van de magnetisatie niet mogelijk

18. 90o RF puls Tijdens 900 puls Initiële positie

19. T1 en T2 M Mz Mxy t (ms) T2 T1

20. T1 en T2 Mz Mxy weefsel A 100% 63% CSF weefsel B lange T2 vet t (ms) korte T1 lange T1 t (ms) 84 1400 korte T2

21. T1 en T2

22. Effect op weefsels

23. Principes van MRI

24. Gradiënt spoelen Gradiëntspoelen produceren magnetische veldgradiënten die gebruikt worden om ruimtelijke informatie toe te voegen aan het MR signaal • Snede selectie: enkel die spins exciteren in een dunne snede van het object • Frequentiecodering: de Larmor frequentie afhankelijk maken van de plaats • Fasecodering: de fase van het MR signaal afhankelijk maken van de plaats

25. Snede selectie

26. Frequentiecodering

27. Beeldreconstructie  FFT

28. Samenvatting Recept voor MR beeldvorming • plaats de patiënt in een groot magneetveld • de patiënt wordt gemagnetiseerd • bestraal de patiënt met radiogolven • schakel daarbij een magnetische gradiënt aan voor snedeselectie • ontvang de radiogolven uitgezonden door de patiënt • schakel magnetische gradiënten aan voor snede-selectie en ruimtelijke codering van de straling • digitaliseer de golven a.f.v. de tijd • reconstrueer het beeld

29. Functionele MRI

30. MRI versus fMRI MRI : anatomie fMRI: functies

31. Mxy T2 T2* t T2 en T2* verval • inhomogeniteiten in het magneetveld • snellere defasering van de magnetisaties • sneller signaalverlies

32. Gedeoxygeneerd bloed Geoxygeneerd bloed? Geen signaalverlies… Gedeoxygeneerd bloed? Signaalverlies!!! Huettel, Song & McCarthy, 2004, Functional Magnetic Resonance Imaging

33. MRI versus fMRI MRI fMRI … 1 hoog resolutie beeld veel laag-resolutie beelden • fMRI:Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) signaal • Indirecte meting van neurale activiteit  neurale activiteit   bloed zuurstof   fMRI signaal

34. Opname van anatomisch beeld • opname van een anatomisch T1-gewogen beeld • hoge resolutie: vb: 1x1x1.25 mm3 • 64 snedes • opnametijd: 5 min

35. first volume (2 sec to acquire) Opname van functionele beelden • opname van een functionele T2*-gewogen beelden • 1 3D volume om de 2 sec (gedurende 5 min) • lage resolutie (3x3x5 mm3) …

36. ~2s Conditie 1 Conditie 2 ... ~ 5 min Activatie statistiek Functionele beelden fMRI Signaal (% verandering) Conditie Tijd Statistische map gesuperponeerd op het anatomisch MRI beeld Tijd

37. tijdscurve van activatie rusttoestand % signal change images stimulatie haemodynamische responsfunctie Stimulatie protocol

38. basic model convolved model fMRI signal Statistische tests voor fMRI

39. 2D → 3D

40. Besluit • MRI is een rijke beeldvormingstechniek • protondichtheid • relaxatieparameters (T1, T2, T2*) • bloedstroming • perfusie, diffusie • BOLD … • geeft zowel anatomische als functionele informatie • geen belangrijke schadelijke gevolgen bekend

41. Referenties • http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/ • http://www.mritutor.org/mritutor/ • http://nl.wikipedia.org/wiki/MRI