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
ƒ Ett rörligt intellekt (eller åtminstone miljön där det
vistas...))
ƒ Blodflöde – ibland i överflöd men inte alltid
ƒ Hjärnaktiveringens fysiologi och dynamik
ƒ En oupphörlig aktivitet (2% av massan, 20% av
energin/syret)
D t rörliga
Det
ö li iintellektet...
t ll kt t
ƒ MR-signalen registreras som komplext tal
tal.
Fasvinkeln har inneboende rörelsekänslighet.
ƒ ∆Φ ∝ v
ƒ Höga gradienter medger att låga hastigheter kan
g känslighet
g
mätas med hög
ƒ 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
ƒ Hjärnrörelser som drivkraft för CSF-cirkulationen
ƒ Förståelse
Fö tå l för
fö t.ex.
t
hydrocephalus
h d
h l
ƒ Felkälla vid mätning av diffusion och andra
inkoherenta rörelser inom ett volymselement
Ett blodflöde i överflöd
överflöd...
ƒ Inte alltid, naturligtvis...
ƒ Många kliniska tillämpningar avser visualisering
av perfusionsdefekt
Ett blodflöde i överflöd
överflöd...
ƒ 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
ƒ 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
ƒ Cerebralt blodflöde CBF [∼ 45 ml/(min 100g)]
ƒ Cerebral
C b l bl
blodvolym
d l
CBV [[∼ 3.5
3 5 ml/100g]
l/100 ]
ƒ Medelpassagetid MTT (artär- till vensida) [∼ 5 s]
P f i med
Perfusion
d MR
ƒ Dynamic susceptibility contrast MRI (DSC-MRI)
ƒ 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):
ƒ Bedömning CBV, CBF and MTT, oftast i relativa termer
ƒ Bolusinjektion av Gd-baserat kontrastmedel
ƒ Dynamisk snabb bildtagning
ƒ 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
ƒ 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)
ƒ M
Magnetiskt
ti kt märkta
ä kt vattenmolekyler
tt
l k l ( ) reducerar
d
den longitudinella magnetiseringsvektorn M
M
Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL)
ƒ M
Magnetiskt
ti kt märkta
ä kt vattenmolekyler
tt
l k l ( ) reducerar
d
den longitudinella magnetiseringsvektorn M
M
ƒ Detta leder till sänkt bildsignal – större sänkning i
regioner
i
med
d hö
hög perfusion
f i
ƒ Subtraktion “kontroll
kontroll minus märkt”
märkt ger CBF
CBF-bild
bild
(medelvärdering krävs)
ASL: Viktiga egenskaper
ƒ Ger enbart CBF, ej CBV och MTT
ƒ Upprepade undersökningar möjliga
Ett blodflöde i överflöd
överflöd...
ƒ Vad händer vid neuronal aktivering?
g
ƒ Introduktion av BOLD-fMRI
ƒ Koppling till perfusion
ƒ 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...
ƒ Vila (normalläge):
• Jämviktsnivå av icke-syresatt blod
• Deoxyhemoglobin – paramagnetiskt
• Fältstörning
g – urfasning
g – sänkt signal
g
ƒ 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
ƒ Experiment
E
i
t AV-PÅ
AV PÅ (röd)
( öd)
ƒ Konvolution med HRF ger
referensfunktion (grön)
ƒ 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
ƒ Understanding BOLD-fMRI contrast
Hjärnaktivering
ƒ Syremetabolism CMRO2: +12%
ƒ Syreextraktion OEF:
-30%
ƒ Venös syresättning
+17%
ƒ Cerebralt blodflöde:
+55%
ƒ Cerebral blodvolym:
+15%
Hjärnaktivering
ƒ CMRO2 = CBF⋅OEF⋅konstant
ƒ OEF = 1 – (ven syresättning/artär syresättning)
ƒ 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...
ƒ 1994: RW ligger helt stilla
ƒ Tänker intensivt på att han rör högra
a de s fingrar
ga
handens
En oupphörlig aktivitet
aktivitet...
ƒ Observationer av aktiveringsmönster även i
mental vila
ƒ Resting-state networks
ƒ Ett flertal olika interna nätverk existerar
ƒ Nytta i klinisk fMRI
ƒ 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...
ƒ Observationer av aktiveringsmönster även i
mental vila
ƒ Resting-state networks
ƒ Ett flertal olika interna nätverk existerar
ƒ Nytta i klinisk fMRI
ƒ Patienter som ej kan följa anvisningar, barn, etc.
En oupphörlig aktivitet
aktivitet...
ƒ Resting-state, motornätverk
Resting state:
j
Different subjects
Mannfolk P. et al., 2010
Möjligheter...
Möjligheter
ƒ Förstå dynamiken i hjärnans energi- och
syreförbrukning
ƒ Mätning av syreextraktion och syreförbrukning
ƒ Susceptibilitetskvantifiering
ƒ Kvantifiering av kontrastmedel in vivo
ƒ Resting-state networks i klinisk fMRI
Tack
ƒ Stig Holtås
ƒ Linda Knutsson
ƒ Elna-Marie Larsson
ƒ Emelie Lindgren
ƒ Peter Mannfolk
ƒ Johan Olsrud
ƒ Freddy Ståhlberg
ƒ och...
och
Holger Sköldborn
Ur: Vem är vem? (1965)
Tack!