Fysische principes van functioneel hersenonderzoek Prof. Dr. Jan Sijbers Universiteit Antwerpen (CDE) Universiteitsplein 1, N.1.13 2610 Wilrijk Tel: 03 820 24 64 jan.sijbers@ua.ac.be

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

Een beetje geschiedenis Van NMR naar MRI tot fMRI → →

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

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

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

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 

Principes van NMR

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

Atomen en magnetische spins

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

Open en gesloten MR systemen

Atomen en magnetische spins Resulterende magnetisatie Voor elke 100.000 protonen bij 3T, zijn er 2 “extra” gericht volgens het aangelegd magneetveld

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

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

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

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

90o RF puls Initiële positie Tijdens 900 puls

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

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

T1 en T2

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

Principes van MRI

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

Snede selectie

Frequentiecodering

Beeldreconstructie  FFT

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

Functionele MRI

MRI versus fMRI MRI : anatomie fMRI: functies

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

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

 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

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

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) …

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

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

Statistische tests voor fMRI convolved model basic model fMRI signal

2D → 3D

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

Referenties http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/ http://www.mritutor.org/mritutor/ http://nl.wikipedia.org/wiki/MRI