Obrazowanie funkcjonalne

1. Obrazowanie funkcjonalne

2. METODY WIZUALIZACJI I PRZYŻYCIOWEJ ILOŚCIOWEJ OCENY LOKALNEGO POZIOMU METABOLIZMU I LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI W MÓZGU Metody wykorzystujące jądrowy rezonans magnetyczny MRJ: techniki „diffusionweightedimaging” i pochodne (mapy współczynnika dyfuzji, tensor dyfuzji etc) Zastosowanie tensora dyfuzji Czynnościowe obrazowanie oparte o dyfuzję MRJ: „perfusionweightedimaging” fMRJ TECHNIKA „BOLD” (bloodoxygenationlevel dependent) Zlokalizowana spektroskopia MRJ Metody z użyciem izotopów i znakowanych nimi substancji SPECT (Single photonemissioncomputedtomography) PET (positronemissiontomography)

3. Podstawy MRJzasadnicza 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 Larmoraw = g B Częstość precesji dla wodoru przy 1T = 42,58 MHz

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

5. Czasy relaksacji T1 i T2 Oddziaływanie spin-sieć Składowa podłużna MLwraca do M ze stałą czasową T1 Oddziaływanie spin-spin Składowa poprzeczna ze stałą czasową T2

6. Zasada i sposób wywołania echa spinowego

7. 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.

8. 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).

9. 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)

11. „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

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

14. Dystans dyfuzji 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.

15. 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

16. 1 min 15 sek 4 min 16 min

17. 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/sekCząsteczka 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)

18. SE DTI sequence

19. 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 !

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

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

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

23. [s/mm2]

24. 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

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