31. januar Avanceret MR A-kursus Århus 2011

Transkript

1 31. januar

2 Gennemgang Motivation for DTI og fibertracking Indføring : Diffusion i MRI Diffusionstensor billeddannelse DTI Tracking algoritmer Anvendelse Diskussion 31. januar

3 Motivation for DTI og fibertracking Første in vivo metode til bestemmelse af nervefiber retningen. Ny kontrastmekanisme i afbildning af hjernen Klinisk anvendelse Ny markør i diagnostikken Fiberlokalisering ved neurokirurgiske operationsplanlægning ---. Neurovidenskabelig forskning Nervesystemets udvikling og modnings fase Hjernens plasticitet januar

4 Note 1 DTI finder retningen af størst selvdiffusionen (diffusionen) og der er god grund til at antage at denne er parallel med nervefiberretningen i områder af hjernen med de store ledningsbundter med mange parallelle nervefibre. 31. januar

5 Gennemgang Motivation for DTI og fibertracking Indføring : Diffusion i MRI Hvad er diffusion Diffusionsvægtet MRI Anisotrop diffusion Diffusionstensor billeddannelse DTI Tracking algoritmer Anvendelse Diskussion 31. januar

6 Hvad er diffusion Diffusion er Brownske molekylebevægelser. X = 2Dt D afhænger af vævets mikrostruktur D i vand er 3*10-3 mm 2 /s D i hvidsubstans er 0,7*10-3 mm 2 /s D i gråsubstans er 0,8*10-3 mm 2 /s 31. januar 30 µm

7 Hvordan måler vi diffusion uden diffusion Tiden t Position z Tiden t Faseskift under gradienten Gz 180 puls Faseskift under gradienten Gz 31. januar

8 Hvordan måler vi diffusion med diffusion Tiden t Position z Tiden t På grund af de stokastiske bevægelser fås en stokastisk fasespredning der resulterer i tab af signal. 31. januar

9 Diffusionsvægtet Spin Ekko ekko G δ ln(s/s 0 ) = -γ 2 G 2 δ 2 (δ Δ/3) D Δ b = γ 2 G 2 δ 2 (δ Δ/3) 31. januar

10 Note 2 γ er en natur konstant, den gyromagnetiske ratio. G er bestemt af pulssekvensen og er kendt δ er bestemt af pulssekvensen og er kendt Δ er bestemt af pulssekvensen og er kendt b = γ2 G2 δ2 (δ Δ/3) er bestemt af pulssekvensen og kan beregnes. Typiske b-værdier er 1000 s/mm januar

11 Enheder b: s/mm 2 ADC = D: mm 2 /s 31. januar

12 T2 effekter infarkt frisk eller subakut? DWI 31. januar

13 T2 effekter ADC = D Subakut, ADC lig med normal grå substans. 31. januar

14 Note 3 Husk at Diffusions vægtede billeder DWI er T2 ekkoplanar billeder der samtidig er diffusionsvægtede. Hvis T2 er lang og der er hyperintenst signal på T2 billedet kan de høje signal på DWI billedet alene skyldes T2 effekten. 31. januar

15 Anisotropi i hvid substans 31. januar

16 Note 4 Høj diffusion parallelt med fibrene og dermed stor middel vandring som ses nederst i figuren til højre. Mindre (lav) selvdiffusion vinkelret på fibrene og dermed lille middel vandring som ses nederst på figuren til venstre. Diffusion er væsentligst bestemt af ekstracellulærvæsken. 31. januar

17 Anisotropi Kodning i mindst tre retninger X, Y & Z Beregne kombineret billede D trace = (D x + D y + D z )/3 31. januar

18 Retning af maksimal selvdiffusion Kodning i mindst 6 retninger Typisk kodning i 6 24 retninger Måletid minutter Højt S/N forhold nødvendigt Mange gennemsnit eller mange retninger 31. januar

19 Forudsætninger Organet må ikke bevæge sig Lang T2 relaksatationstid Lille blodvolumen 31. januar

20 Anisotrop diffusion Ingen DW (I 0 ) x-retning (I x ) y-retning (I y ) z-retning (I z ) 31. januar

21 Gennemgang Motivation for DTI og fibertracking Indføring : Diffusion i MRI Hvad er diffusion Diffusionsvægtet MRI Anisotrop diffusion Diffusionstensor billeddannelse DTI Tracking algoritmer Anvendelse Diskussion 31. januar

22 Diffusionstensor 31. januar

23 Diffusionstensor billeddanneldse 31. januar

24 Fremstilling af retninger 31. januar

25 Anisotropi 31. januar

26 Note 4 Farverne angive retningen af maksimal diffusion. Rød: højre mod venstre Blå: op - ned Grøn: anteriort - posteriort 31. januar

27 Normal hjerne 31. januar

28 Note 5 Corpus callosum er rød, ledningsbaner løber højre mod venstre 31. januar

29 Fractional anisotropy FA beregnes ud fra eigenvalues (λ1,λ2,λ3) af diffusion tensor. Trace FA ligger mellem 0 og 1. 0 for ens diffusion i alle retninger. 1 for diffusion i en retning og ingen diffusion vinkelret her på. 31. januar

30 Fractional anisotropy 31. januar

31 Note 6 FA angiver graden af anisotropi. Hvis der kun er diffusion i én retning er FA = 1 (dette vil næppe ses i biologien) Hvis FA = 0 er diffusion ens i alle retninger og ses i f.eks. CSF, absces med pus, nekrose og cyster. Almindelig WM har FA > 0,2 31. januar

32 Grænser for DTI Disotrop + Krydsende fibre kiss eller cross Danisotrop =? Vi finder ingen fibre. 31. januar

33 Multitensor modeller Konventionel DTI FA kort Retningskort Retningskort Sagittalt billede 31. januar MDT

34 Gennemgang Motivation for DTI og fibertracking Indføring : Diffusion i MRI Hvad er diffusion Diffusionsvægtet MRI Anisotrop diffusion Diffusionstensor billeddannelse DTI Tracking algoritmer Anvendelse Diskussion 31. januar

35 Strømlinie algoritme Ide: Hoveddiffusionsretningen danner et vektorfelt Kurven følger vektorfeltet 31. januar

36 FACT-algoritme Bygger på Første hovedakse af diffusionsellipsoiden. FA indeks Kurven følger hovedaksen i voxelen. Udgangspunkter et center af voxelen FACT = fast marching tractography 31. januar

37 FACT afbrud kriterier FA indeks for den aktuelle voxel er minder end f.eks. 0,2 Kurven ændre retning fra en voxel til den næste med mere end f.eks. 40 grader 31. januar

38 FACT algoritmen Fibre udvælges ved hjælp af ROI er ROI til fiber selektion 31. januar

39 Gennemgang Motivation for DTI og fibertracking Indføring : Diffusion i MRI Hvad er diffusion Diffusionsvægtet MRI Anisotrop diffusion Diffusionstensor billeddannelse DTI Tracking algoritmer Anvendelse Diskussion 31. januar

40 Klinisk anvendelse Karakteristik af patologiske forandringer Middeldiffusion (ADC) Anisotropi (FA) Patologi Ekstracellulært ødem Celle død og nekrose Cellerige tumorer f.eks. lymfomer højgrads gliomer Tumorer Cytotoksisk ødem (infarkt, epilepsi, encefalit) 31. januar ADC FA (wm)

41 Specielle anvendelser Problemstilling ADC FA Hjernens modning - + Normale aldring af hjernen + - Akut infarkt - + Kronisk infarkt + - Epilepsi hippocampossclerose + - Epilepsi kortikal dysplasi + - Metaboliske sygdomme med demyelinisering + - Metaboliske sygdomme med dysmyelinisering + - Lavgradsgliom + - Højgrads gliom cellerig - - Nekrose Absces 31. januar

42 X-linked Adrenoleukodystrophy Pt. 1: Klinisk ALD ADC + & FA - Pt. 2: Ingen kliniske symptomer ADC normal & FA normal 31. januar Schneider et al. 2003

43 Note 6 Bemærk at FA stiger med modning af hjernen, p.g.a. myelinisering. Bemærk at FA stiger ved cytotoksisk ødem, da ekstracellulær volumen falder. 31. januar

44 Epilepsikirurgi 1 Symptomatisk epilepsi efter intracerebral blødning. Postoperativt Anfaldsfri. Venstresidig synsfelt indskrænkning. Halvsidig lammelse som langsomt bedredes på korison. 31. januar

45 Epilepsikirurgi 2 Postoperativ MR Fremstilling af fiberbaner i operationsområdet med steriotaksisystem. 31. januar Kreher BW 2005

46 DTI Tumor i cerebellum Tumor i cerebellum 31. januar

47 Tumor i cerebellum 31. januar

48 Tumor i cerebellum 31. januar

49 Note 7 Er Fa i nærheden af 1, d.v.s. ens diffusion i alle retninger bestemmer algoritmen ingen retning og området er sort. Sorte områder kan være tumor, nekrose og CSF m.v. 31. januar

50 31. januar

51 Note 8 Fibrene løber uden om tumor. 31. januar

52 31. januar

53 Absces T2 31. januar

54 Absces DWI 31. januar

55 Absces ADC 31. januar

56 Note 9 Lav diffusion i pus. Høj diffusion i inflammeret væv. Meget høj diffusion i ødem. 31. januar

57 Tumor T2 31. januar

58 Tumor DWI 31. januar

59 Tumor ADC 31. januar

60 Note 10 Meget høj diffusion i nekrose. Høj diffusion i lavgradsgliom. 31. januar

61 Dermoid T2 31. januar

62 Dermoid DWI 31. januar

63 Dermoid ADC 31. januar

64 Note 11 Lav diffusion i dermoid cyste. Meget høj diffusion i CSF. 31. januar

65 Status epilepticus T2 31. januar

66 Status epilepticus DWI 31. januar

67 Status epilepticus ADC 31. januar

68 Note 12 Lav diffusion i cytotoksisk ødem i område med stor elektrisk aktivitet p.g.a. status epilepticus. Forandringen kan være reversibel med korrekt behandling. 31. januar

69 Gennemgang Motivation for DTI og fibertracking Indføring : Diffusion i MRI Hvad er diffusion Diffusionsvægtet MRI Anisotrop diffusion Diffusionstensor billeddannelse DTI Tracking algoritmer Anvendelse Diskussion 31. januar

70 Diskusion DTI ny markør til forbedring af diagnostikken. I klinik og forskning har DTI et stort potentiale. men Diffusionstensor er utilstrækkelig i mange af hjernens regioner. Der mangler standardiserede algoritmer til fibertracking. 31. januar

71 Henvisning januar

72 Test(1) T1 31. januar

73 Test(1) T2 31. januar

74 Test(1) EPI T2 og DWI 31. januar

75 Test(2) T2 31. januar

76 Note 13 Akut infarkt 31. januar

77 Test(2) FLASH og T2 31. januar

78 Test(2) EPI T2 og DWI 31. januar

79 fmri 31. januar

80 Note 14 Akut infarkt Kontusions blødning 31. januar

81 Perfusion 31. januar

82 Perfusion anvendelser Akut infarkt Asfyksi følger Hjertestop følger SAH Traumer Carotis eller vertebralis stenose Tumorer rcbv/(rcbv WM) 5,51 ±2,1 Metastaser rcbv/(rcbv WM) 4,6 ± 1,2 Absces rcbv/(rcbv WM) 0,8 ± 0,1 Erdogan, Cuneyt MD; Hakyemez, Bahattin MD; Yildirim, Nalan MD; Parlak, Mufit MD januar

83 Note 15 Lav perfusion i solidt nekrotisk væv ved absces i modsætning til de vel perfunderede tumorer og metastaser. Pus har ingen perfusion. Nekrose har ingen perfusion. 31. januar

84 MR-scanner Fra MR-scanningen Patient bliver scannet: Anatomisk scan, DTI og fmri serie sendes til BrainLab iplan Net server. Et anatomisk scan Et DTI scan Et fmri På iplan Net server via web interface Anatomisk scan, DTI og fmri scan sammenlægges så anatomi passer sammen. Beregning af DTI og fmri volumen 31. januar VectorVision De sammensatte og beregnede DTI og fmri serie loades ind i VectorVision.

85 Role of diffusion- and perfusionweighted MR imaging for brain tumour characterisation. Rizzo L, Crasto SG, Moruno PG, Cassoni P, Rudà R, Boccaletti R, Brosio M, De Lucchi R, Fava C Istituto di Radiologia Università di Torino Sede San Luigi, Orbassano, Italy. PURPOSE: This study was undertaken to correlate apparent diffusion coefficient (ADC) and relative regional cerebral blood volume (rrcbv) to histological findings in a large series of patients with primary or secondary brain tumours to evaluate diffusion-weighted (DWI) and perfusion-weighted (PWI) imaging in the characterisation of cerebral tumors. 31. januar

86 MATERIALS AND METHODS: Ninety-eight patients with cerebral tumours, 46 of which were primary (seven grade 0-I, nine low-grade gliomas, two gliomatosis cerebri, nine lymphomas and 19 high-grade gliomas) and 52 secondary RESULTS: Seventeen of 98 tumours were cystic or necrotic (12/17 hypointense and 5/17 hyperintense on DWI); the ADC value of hyperintense cystic areas was 0.97+/-0.23x10(-3) mm2/s. The ADC value of solid tumours varied between 0.64 and 3.5x10(-3) mm2/s. The rrcbv value was 1.40 (sigma 0.66) in low-grade gliomas; 1.22 (sigma 0.25) in lymphomas; 4.50 (sigma 0.85) in grade III gliomas; 3.18 (sigma 1.26) in grade IV gliomas and 2.53 (sigma 1.6) in metastases. CONCLUSIONS: DWI has an important role in the differential diagnosis of cystic cerebral masses but not in tumour characterisation. PWI is helpful in differentiating high-from low-grade gliomas and lymphomas from highgrade gliomas. 31. januar

87 Note 16 Lavgrads gliomer har større perfusion end normal WM men ikke så høj som de maligne tumorer. 31. januar