Overzicht Geschiedenis: van NMR naar MRI tot fMRI

Presentatie over: "Overzicht Geschiedenis: van NMR naar MRI tot fMRI"— Transcript van de presentatie:

0 Fysische principes van functioneel hersenonderzoek
Prof. Dr. Jan Sijbers Universiteit Antwerpen (CDE) Universiteitsplein 1, N.1.13 2610 Wilrijk Tel:

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

2 Een beetje geschiedenis
Van NMR naar MRI tot fMRI → →

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

4 Geschiedenis: NMR → MRI → fMRI
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

5 Geschiedenis: NMR → MRI → 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

6 OFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s)
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 

7 Principes van NMR

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

9 Atomen en magnetische spins

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

11 Open en gesloten MR systemen

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

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

14 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

15 RF puls precesserende magnetisatie frequentie:
magnetisatie staat stil in een assenkruis, draaiend met frequentie

16 Magnetische resonantie
instralen met de resonantiefrequentie omklappen van de magnetisatie mogelijk instralen met een andere frequentie omklappen van de magnetisatie niet mogelijk

17 90o RF puls Initiële positie Tijdens 900 puls

18 T1 en T2 M Mz Mxy t (ms) T2 T1

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

20 T1 en T2

21 Effect op weefsels T1 en T2 CONSTANTEN T2 bij 1.5 T (ms) T1 bij 1.5 T
85 Vet 45 860 Spierweefsel 90 780 Witte stof (hersenen) 100 920 Grijze stof (hersenen) 1400 3000 CSF

22 Principes van MRI

23 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

24 Snede selectie

25 Frequentiecodering

26 Beeldreconstructie  FFT

27 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

28 Functionele MRI

29 MRI versus fMRI MRI : anatomie fMRI: functies

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

31 Gedeoxygeneerd bloed Geoxygeneerd bloed? Geen signaalverlies…
Huettel, Song & McCarthy, 2004, Functional Magnetic Resonance Imaging

32  neurale activiteit   bloed zuurstof   fMRI signaal
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

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

34 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) first volume (2 sec to acquire) …

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

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

37 Statistische tests voor fMRI
convolved model basic model fMRI signal

38 2D → 3D

39 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

40 Referenties http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/