docEn MR fysikers hjärna vilar aldrig: Om ett blodflöde i överflöd, ett
download 
Report Transcription
En MR fysikers hjärna vilar aldrig: Om ett blodflöde i överflöd, ett
En MR fysikers hjärna vilar aldrig: Om ett blodflöde i överflöd, ett rörligt i t ll kt och intellekt h en oupphörlig hö li aktivitet kti it t Ronnie Wirestam Avd. för Medicinsk Strålningsfysik Lunds Universitet [email protected] i i t @ dl FT Hjärnan Hjä Ett rörligt intellekt (eller åtminstone miljön där det vistas...)) Blodflöde – ibland i överflöd men inte alltid Hjärnaktiveringens fysiologi och dynamik En oupphörlig aktivitet (2% av massan, 20% av energin/syret) D t rörliga Det ö li iintellektet... t ll kt t MR-signalen registreras som komplext tal tal. Fasvinkeln har inneboende rörelsekänslighet. ∆Φ ∝ v Höga gradienter medger att låga hastigheter kan g känslighet g mätas med hög Hjärnvävnadsrörelser (brain motion) D t rörliga Det ö li iintellektet... t ll kt t Wirestam et al., ISMRM, New York, 1990 D t rörliga Det ö li iintellektet... t ll kt t Greitz, Wirestam et al., Neuroradiology (1992) D t rörliga Det ö li iintellektet... t ll kt t Hjärnrörelser som drivkraft för CSF-cirkulationen Förståelse Fö tå l för fö t.ex. t hydrocephalus h d h l Felkälla vid mätning av diffusion och andra inkoherenta rörelser inom ett volymselement Ett blodflöde i överflöd överflöd... Inte alltid, naturligtvis... Många kliniska tillämpningar avser visualisering av perfusionsdefekt Ett blodflöde i överflöd överflöd... Inte alltid, naturligtvis... Ett blodflöde bl dflöd i ö överflöd... flöd Vazquez et al., Frontiers in Neuroenergetics 2 (2010), 1-12 Ett blodflöde bl dflöd i ö överflöd... flöd Koppling mellan • Hjärnaktivering Hjä kti i (neuronal ( l aktivering) kti i ) • Cerebralt blodflöde (CBF) ( ) • Syreextraktion (oxygen extraction fraction, OEF) • Syremetabolism (cerebral metabolic rate of oxygen, CMRO2) Ett blodflöde bl dflöd i ö överflöd... flöd C b l perfusionsparametrar Cerebrala f i t i vila il Cerebralt blodflöde CBF [∼ 45 ml/(min 100g)] Cerebral C b l bl blodvolym d l CBV [[∼ 3.5 3 5 ml/100g] l/100 ] Medelpassagetid MTT (artär- till vensida) [∼ 5 s] P f i med Perfusion d MR Dynamic susceptibility contrast MRI (DSC-MRI) Arterial A t i l spin i llabelling b lli (ASL) MRI Vanligaste MR-metoden: Dynamic susceptibility tibilit contrast t t (DSC) MRI Signal i en voxel (grå vävnad): Bedömning CBV, CBF and MTT, oftast i relativa termer Bolusinjektion av Gd-baserat kontrastmedel Dynamisk snabb bildtagning Omräkning av signaländring till koncentrationsförlopp Teori DSC-MRI: DSC MRI: Översikt över procedur Vävnad C(t) Integrera över tid CBV Artär Ca(t) Dividera Dekonvolvera Residualfunktion R(t) ”Area-to-Height” CBF MTT DSC-MRI: DSC MRI: Viktiga egenskaper Ger även CBV och MTT – autoregulation Arterial spin labelling (ASL) Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment Blood tissue water exchange Blood-tissue 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment Blood tissue water exchange Blood-tissue 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (1) Labelling experiment MR image of tissue slice 180 RF-pulse 180° (spin inversion) non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) (2) Control experiment 180° RF-pulse (spin inversion) MR image of tissue slice non-inverted arterial spins inverted arterial spins tissue spins Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) M Magnetiskt ti kt märkta ä kt vattenmolekyler tt l k l ( ) reducerar d den longitudinella magnetiseringsvektorn M M Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL) M Magnetiskt ti kt märkta ä kt vattenmolekyler tt l k l ( ) reducerar d den longitudinella magnetiseringsvektorn M M Detta leder till sänkt bildsignal – större sänkning i regioner i med d hö hög perfusion f i Subtraktion “kontroll kontroll minus märkt” märkt ger CBF CBF-bild bild (medelvärdering krävs) ASL: Viktiga egenskaper Ger enbart CBF, ej CBV och MTT Upprepade undersökningar möjliga Ett blodflöde i överflöd överflöd... Vad händer vid neuronal aktivering? g Introduktion av BOLD-fMRI Koppling till perfusion Koppling till syreextraktion och syremetabolism Ett blodflöde bl dflöd i ö överflöd... flöd Ett blodflöde i överflöd överflöd... Syreextraktionsfraktionen minskar vid aktivering Aktivering Donahue et al.: JCBFM (2009) 29, 1856 Ett blodflöde i överflöd överflöd... Vila (normalläge): • Jämviktsnivå av icke-syresatt blod • Deoxyhemoglobin – paramagnetiskt • Fältstörning g – urfasning g – sänkt signal g Aktivering • Syresatt blod i överflöd • Oxyhemoglobin O h l bi – diamagnetiskt di ti kt (som ( vävnad) ä d) • Mindre fältstörning – ökad signal Ett blodflöde i överflöd överflöd... Signal Kraftigt ökat blodflöde – mer oxyhemoglobin y g Aktivering ger ökad syrekonsumtion – mer deoxyhemoglobin y g 2 4 6 Blodvolymen minskar långsamt – mer deoxyhemoglobin 8 10 12 Tid / s Hemodynamisk responsfunktion (HRF) Stimulering – aktivering: Klinisk fMRI Data-analys av varje bildelement Stimulering – aktivering: Klinisk fMRI Experiment E i t AV-PÅ AV PÅ (röd) ( öd) Konvolution med HRF ger referensfunktion (grön) Jämför statistiskt med uppmätt signal (blå) Stimulering – aktivering: BOLD-fMRI BOLD fMRI 39-year-old woman with left-sided glioblastoma, motor activation right hand Preop fMRI Stimulering – aktivering: BOLD-fMRI BOLD fMRI Understanding BOLD-fMRI contrast Hjärnaktivering Syremetabolism CMRO2: +12% Syreextraktion OEF: -30% Venös syresättning +17% Cerebralt blodflöde: +55% Cerebral blodvolym: +15% Hjärnaktivering CMRO2 = CBF⋅OEF⋅konstant OEF = 1 – (ven syresättning/artär syresättning) Graden av syresättning påverkar MR-signal (som i BOLD BOLD-fMRI) fMRI) och h ffasskift kift Modellexperiment: Hyperventilation CBF minskar vid hyperventilation (ca 30%), men syremetabolismen är i princip oförändrad. Modellexperiment: Hyperventilation SNR i ven 30% SNR-sänkning vid hyperventilation Fördelning av passagetider för blodet från artär- till vensida Syreextraktion: Hypoventilation Syreextraktion y i hjärnan j Syremetabolism i hjärnan Fasbilder (T.v. RW hypoventilerar) En oupphörlig aktivitet aktivitet... 1994: RW ligger helt stilla Tänker intensivt på att han rör högra a de s fingrar ga handens En oupphörlig aktivitet aktivitet... Observationer av aktiveringsmönster även i mental vila Resting-state networks Ett flertal olika interna nätverk existerar Nytta i klinisk fMRI Patienter som ej kan följa anvisningar, barn, etc. Resting state networks Two examples Mannfolk P., P PhD Thesis Thesis, Lund University (2010) En oupphörlig aktivitet aktivitet... Observationer av aktiveringsmönster även i mental vila Resting-state networks Ett flertal olika interna nätverk existerar Nytta i klinisk fMRI Patienter som ej kan följa anvisningar, barn, etc. En oupphörlig aktivitet aktivitet... Resting-state, motornätverk Resting state: j Different subjects Mannfolk P. et al., 2010 Möjligheter... Möjligheter Förstå dynamiken i hjärnans energi- och syreförbrukning Mätning av syreextraktion och syreförbrukning Susceptibilitetskvantifiering Kvantifiering av kontrastmedel in vivo Resting-state networks i klinisk fMRI Tack Stig Holtås Linda Knutsson Elna-Marie Larsson Emelie Lindgren Peter Mannfolk Johan Olsrud Freddy Ståhlberg och... och Holger Sköldborn Ur: Vem är vem? (1965) Tack!
