en mren mr fysikers hjärna vilar aldrig:fysikers hjärna ...¶ldborn_r_wirestam...i t ll kt h hö...

En MR fysikers hjärna vilar aldrig:En MR fysikers hjärna vilar aldrig:Om ett blodflöde i överflöd, ett rörligt i t ll kt h hö li kti it tintellekt och en oupphörlig aktivitet

Ronnie Wirestam

Avd. för Medicinsk StrålningsfysikLunds Universiteti i t @ d [email protected]

FTFT

HjäHjärnan

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)energin/syret)

D t ö li i t ll kt tDet rörliga intellektet...

MR-signalen registreras som komplext talMR-signalen registreras som komplext tal. Fasvinkeln har inneboende rörelsekänslighet.

∆Φ ∝ v

Höga gradienter medger att låga hastigheter kan mätas med hög känslighetg g

Hjärnvävnadsrörelser (brain motion)


Wirestam et al., ISMRM,New York, 1990


Greitz, Wirestam et al., Neuroradiology (1992)


Hjärnrörelser som drivkraft för CSF-cirkulationen

Fö tå l fö t h d h lFörståelse för t.ex. hydrocephalus

Felkälla vid mätning av diffusion och andraFelkälla vid mätning av diffusion och andra inkoherenta rörelser inom ett volymselement

Ett blodflöde i överflödEtt blodflöde i överflöd...

Inte alltid, naturligtvis...

Många kliniska tillämpningar avser visualisering av perfusionsdefektav perfusionsdefekt


Inte alltid, naturligtvis...

Ett bl dflöd i ö flödEtt blodflöde i överflöd...

Vazquez et al., Frontiers in Neuroenergetics 2 (2010), 1-12


Koppling mellan

Hjä kti i ( l kti i )• Hjärnaktivering (neuronal aktivering)

• Cerebralt blodflöde (CBF)( )

• Syreextraktion (oxygen extraction fraction, OEF)

• Syremetabolism (cerebral metabolic rate of oxygen, CMRO2)CMRO2)

C b l f i t i ilCerebrala perfusionsparametrar i vila

Cerebralt blodflöde CBF [∼ 45 ml/(min 100g)]

C b l bl d l CBV [ 3 5 l/100 ]Cerebral blodvolym CBV [∼ 3.5 ml/100g]

Medelpassagetid MTT (artär- till vensida) [∼ 5 s]Medelpassagetid MTT (artär- till vensida) [∼ 5 s]

P f i d MRPerfusion med MR

Dynamic susceptibility contrast MRI (DSC-MRI)

A t i l i l b lli (ASL) MRIArterial spin labelling (ASL) MRI

Vanligaste MR-metoden: Dynamic tibilit t t (DSC) MRIsusceptibility contrast (DSC) MRI

Signal i en voxel (grå vävnad):

Bedömning CBV, CBF and MTT, oftast i relativa termer

Bolusinjektion av Gd-baserat kontrastmedel

Dynamisk snabb bildtagningDynamisk snabb bildtagning

Omräkning av signaländring till koncentrationsförlopp

Teori DSC-MRI: Översikt över procedurTeori DSC MRI: Översikt över procedur

VävnadC(t)

Integrera över tid

CBV

Artär Dividera

CBV

Ca(t) Dekonvolvera

CBFResidualfunktion R(t)

MTTMTT”Area-to-Height”

DSC-MRI: Viktiga egenskaperDSC MRI: Viktiga egenskaper

Ger även CBV och MTT – autoregulation

Arterial spin labelling (ASL)Arterial spin labelling (ASL)

Grundprincip: Arterial spin labelling (ASL)

(1) Labelling experiment

180° RF-pulse180 RF-pulse(spin inversion)

non-inverted arterial spins

tissue spins

inverted arterial spins

tissue spins



Blood tissue water exchange

180° RF-pulse

Blood-tissue water exchange

180 RF-pulse(spin inversion)


tissue spins


tissue spins



180° RF-pulse180 RF-pulse(spin inversion)


tissue spins


tissue spins



Blood tissue water exchange

180° RF-pulse

Blood-tissue water exchange



tissue spins


tissue spins



MR image of

180° RF-pulse

tissue slice



tissue spins


tissue spins


(2) Control experiment

180° RF-pulse(spin inversion)(spin inversion)

MR image of tissue slice


tissue spins


tissue spins


M ti kt ä kt tt l k l ( ) dMagnetiskt märkta vattenmolekyler ( ) reducerar den longitudinella magnetiseringsvektorn M

M


M ti kt ä kt tt l k l ( ) dMagnetiskt märkta vattenmolekyler ( ) reducerar den longitudinella magnetiseringsvektorn M

M

Detta leder till sänkt bildsignal – större sänkning i i d hö f iregioner med hög perfusion

Subtraktion “kontroll minus märkt” ger CBF bildSubtraktion kontroll minus märkt ger CBF-bild (medelvärdering krävs)

ASL: Viktiga egenskaperASL: Viktiga egenskaper

Ger enbart CBF, ej CBV och MTT

Upprepade undersökningar möjliga


Vad händer vid neuronal aktivering?g

Introduktion av BOLD-fMRI

Koppling till perfusion

Koppling till syreextraktion och syremetabolism


Syreextraktionsfraktionen minskar vid aktivering

AktiveringAktivering

Donahue et al.: JCBFM (2009) 29, 1856


Vila (normalläge):• Jämviktsnivå av icke-syresatt blod• Deoxyhemoglobin paramagnetiskt• Deoxyhemoglobin – paramagnetiskt• Fältstörning – urfasning – sänkt signalg g g

Aktivering• Syresatt blod i överflöd

O h l bi di ti kt ( ä d)• Oxyhemoglobin – diamagnetiskt (som vävnad)• Mindre fältstörning – ökad signalMindre fältstörning ökad signal


Signal Kraftigt ökat blodflöde – mer oxyhemoglobiny g

Aktivering ger ökadBlodvolymen minskar långsamt

Aktivering ger ökad syrekonsumtion – mer deoxyhemoglobin

– mer deoxyhemoglobin

2 4 6 108 12Tid / s

y g

Tid / s

Hemodynamisk responsfunktion (HRF)

Stimulering – aktivering: Klinisk fMRIStimulering aktivering: Klinisk fMRIData-analys av varjeData-analys av varje bildelement

Stimulering – aktivering: Klinisk fMRIStimulering aktivering: Klinisk fMRI

E i t AV PÅ ( öd)Experiment AV-PÅ (röd)

Konvolution med HRF ger referensfunktion (grön)

Jämför statistiskt medJämför statistiskt med uppmätt signal (blå)

Stimulering – aktivering: BOLD-fMRIStimulering aktivering: BOLD fMRI

39-year-old woman with left-sided glioblastoma, motor activation right hand

Preop fMRI

Stimulering – aktivering: BOLD-fMRIStimulering aktivering: BOLD fMRI

Understanding BOLD-fMRI contrast

HjärnaktiveringHjärnaktivering

Syremetabolism CMRO2: +12%

Syreextraktion OEF: -30%

Venös syresättning +17%

Cerebralt blodflöde: +55%

Cerebral blodvolym: +15%

HjärnaktiveringHjärnaktivering

CMRO2 = CBF⋅OEF⋅konstant

OEF = 1 – (ven syresättning/artär syresättning)

Graden av syresättning påverkar MR-signal (som i BOLD fMRI) h f kifti BOLD-fMRI) och fasskift

Modellexperiment: HyperventilationModellexperiment: Hyperventilation

CBF minskar vid hyperventilation (ca 30%), men syremetabolismenär i princip oförändrad.

Modellexperiment: HyperventilationModellexperiment: Hyperventilation

SNR i ven Fördelning av passagetider för blodet från artär- till vensida

30% SNR-sänkning vid hyperventilation

Syreextraktion: HypoventilationSyreextraktion: Hypoventilation

Syreextraktion i hjärnany jSyremetabolism i hjärnanFasbilder

(T.v. RW hypoventilerar)

En oupphörlig aktivitetEn oupphörlig aktivitet...

1994: RW ligger helt stilla

Tänker intensivt på att han rör högra handens fingrara de s g a


Observationer av aktiveringsmönster även iObservationer 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 networksResting state networks

Two examples

Mannfolk P PhD Thesis Lund University (2010)Mannfolk P., PhD Thesis, Lund University (2010)


Observationer av aktiveringsmönster även iObservationer 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, motornätverk

Resting state: Different subjectsj

Mannfolk P. et al., 2010

MöjligheterMöjligheter...

Förstå dynamiken i hjärnans energi- ochFörstå dynamiken i hjärnans energi- och syreförbrukning

Mätning av syreextraktion och syreförbrukning

Susceptibilitetskvantifiering

Kvantifiering av kontrastmedel in vivo

Resting-state networks i klinisk fMRI

TackTack

Stig HoltåsLinda KnutssonElna-Marie LarssonEmelie LindgrenEmelie LindgrenPeter MannfolkJohan OlsrudFreddy Ståhlbergochoch...

Holger SköldbornHolger Sköldborn

Ur: Vem är vem? (1965)

Tack!

en mren mr fysikers hjärna vilar aldrig:fysikers hjärna ...¶ldborn_r_wirestam...i t ll kt h hö...

Documents