MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode

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MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
MRI-Angiographie
Time–of–Flight–Methode

     Philipp Hermeling

       5. Juni 2014

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MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Überblick

     I   Historisches
     I   Physikalische Grundlage
     I   MRI–Grundlagen
     I   Time–of–Flight
     I   DANTE
     I   Arterial Spin Labeling

                                   2 / 44
MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Historisches zu MRI
   I   1945 F. Bloch und E. M. Purcell:
       Entdeckung der Kernspinresonanz
       → 1952 Nobel–Preis
   I   1949 E. Hahn: Entdeckung des
       NMR–Spin–Echos
   I   1971 R. Damadian: Entdeckung                 R. Damadian: Apparatus for detecting
       unterschiedlicher Relaxationszeiten von             cancer tissue, 1972.

       Tumor– und gesundem Gewebe
   I   1973/4 P. Lauterbur und Sir P. Mansfield:
       Entwickelung Konzepte zur
       NMR–Bildgebung → 2003 Nobel–Preis
   I   1978 I. Clow und H. Young: Erstes
       NMR–Bild des menschl. Gehirns
   I   Mitte 1990er: mehr als 10.000                 Erste MRI–Aufnahme des menschl.
                                                              Gehirns bei 0,1 T.
       MRT–Scanner weltweit im Einsatz             beide aus: Matt A. Bernstein, Kevin F.
                                                    King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of
   I   heute: gängige Methode für die            MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic
                                                                Press, 2004
       medizinische Diagnostik
                                                                                           3 / 44
MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Physiklische Grundlagen
Zeemann–Effekt

    I   Aufspaltung der Energieniveaus
        im externen B–Feld
    I   Resonante Anregung möglich:
        ∆E = ~ω
    I   ω0 = γB0
    I   ω0 = ωRF
 ω0 = Lamorfequenz
 B0 = statisches Magnetfeld
 γ = gyromagnetisches Verhältnis

                       rad
 γ1 H = 267, 513·106   sT    ˆ 42, 576 MHz
                             =          T

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MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Physikalische Grundlagen

 I   Ausbildung einer
     Netto–Magnetisierung in
     B0 –Richtung
 I   Präzession eines magn.
     Moments im externen B0 –Feld
 I   Faraday’sche Induktion
     → Signal

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MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Pulsexperiment
Spin–Echo–Sequenz

  I   RF: Radio–Frequenz
  I   TE: Echo–Zeit (10 − 100 ms)
  I   TR: Repetition–Zeit (0, 5 − 3 s)
  I   90◦ –Puls: Resonante Anregung
  I   180◦ –Puls: Rephasierung → Echo

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MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Pulsexperiment
Relaxationszeiten

                                                        
                    Singal ∝ ρ(∆V )e −TE/T2 1 − e −TR/T1

      ρ(∆V ) =Protonendichte im Volumenelement ∆V

  I   Longitudinale
      (Spin–Gitter–)Relaxation
                            T1 :
      Mz (t) ∝ 1 − e −t/T1
  I   Transversale
      (Spin–Spin–)Relaxation T2 :
      Mxy (t) ∝ e −t/T2                D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince,
                                       MRI from Picture to Proton, second edition 2007, Cambridge
                                       University Press

                                                                                              7 / 44
MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Pulsexperiment
 Relaxationszeiten

  I   T2∗ :    1
              T2∗   =   1
                        T2   +   1
                                 T20
  I   T20 ∝ 1/(γ∆B)
  I   T2∗ ≤ T2 ≤ T1
∆B =B.–Feld–Inhomogenitäten
  I   Relaxationszeiten sind
      gewebeabhängig                  B–Feld von Bild (c) ist inhomogener als bei (a)
                                       aus: D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from
                                       Picture to Proton, second edition 2007, Cambridge University Press

                                                                                                      8 / 44
MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Bildgebung
Schichtselektion

I   Magnetfeldgradient G ⊥ Schicht
I   → Resonanzfrequenz ortsabhängig:
    ω(z) = γ(B0 + Gz · z)
I   Schichtdicke ∆z abhängig von
    Gradientenstärke G und
    RF–Bandbreite ∆ω
                         sin(t)
I   RF–Puls: sinc(t) =      t

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MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
Bildgebung
Schichtselektion

     D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007,
     Cambridge University Press

                                                                                                                 10 / 44
Bildgebung
Ortskodierung

      I   y–Richtung:
          Phasenkodierung
      I   x–Richtung:
          Frequenzkodierung

                              Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou,
                              Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier
                              Academic Press, 2004, verändert

                                                                                    11 / 44
Bildgebung
Phasenkodierung

                                                                      Phase im rotierendem
                                                                      System:

                                                                         Φ(y ) = γG · y · t

 D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from
 Picture to Proton, second edition 2007, Cambridge University Press

                                                                                              12 / 44
Bildgebung
Frequenzkodierung

      D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007,
                                            Cambridge University Press                                            13 / 44
Bildgebung
Spin–Echo–Sequenz

                     R
    Signal: S(t) ∝   V   ρ(x, y )exp [−i(ω0 + ωfreq )t + iφphase ] dV

    Bild = 2D–Fourier–Transformation des Signals

                                                                        14 / 44
Bildgebung
Kontrast

                                                        
                    Singal ∝ ρ(∆V )e −TE/T2 1 − e −TR/T1

      ρ(∆V ) =Protonendichte im Volumenelement ∆V

  I   T1 –Gewichtung:
        I   TR ≈ T1 , TE  T2
        I   → Fett hell, Wasser dunkel
  I   T2 –Gewichtung
        I   TR  T1 , TE ≈ T2
        I   → Wasser hell
                                         a = T1 gewichtet : Parenchym hell, Liquor dunkel
  I   Protonendichtegewichtung           b = T2 gewichtet : Parenchym dunkel, Liquor hell
                                         c = PD gewichtet : Parenchym hell, Liquor dunkel
        I   TR  T1 , TE  T2            http://www.fmri-easy.de/kontraste.htm, 01.06.2014

        I   → Gewebe weniger
            kontrastiert

                                                                                             15 / 44
Bildqualität

   von vielen Parametern abhängig
     I   Kontrast: C (TE,TR) = SA − SB /(SA + SB ), SA,B =Signal aus
         Gewebe A bzw. B
     I   Signal–zu–Rausch–Verhältnis: SNR = Signal/Rauschen
           I   SNR ∝ √
                     Voxelvolumen
           I   SNR ∝ NEX, NEX = Anzahl d. Signal Acquisitionen
     I   Kontrast–zu–Rauschverhältnis CNR = SA − SB /Rauschen
     I   Auflösung
     I   Artefakte
   Bildqualität ↔ Messzeit

                                                                       16 / 44
klinische MRT–Apparate

                            Philips Panorama HFO, Offenes System.
 Philips Achieva 3.0T TX.   http://www.healthcare.philips.com, 04.06.2014

                                                                            17 / 44
klinische MRT–Apparate

   http://www.healthcare.philips.com, 04.06.2014

                                                   18 / 44
Angiographie
   Angiographie: Darstellung von (Blut–)Gefäßen mittels
   diagnostischer Bildgebungsverfahren

    MRI–Angiographie (auch MRA):
      I   Time–of–Flight–Methode
      I   Dark–Blood–Methode
      I   Phasenkontrast–Methode
      I   Kontrastmittelverstärkte
          Angiographie
                                                 http://www.kliniken-
                                                 suedostbayern.de, vom
                                                 05.06.2014

                                                                         19 / 44
TOF

  time of flight (TOF)
      I   Arterio– und Venographie
      I   kein Kontrastmittel
      I   2D– & 3D–Bildgebung
      I   flusssensibel

                                     20 / 44
TOF: Das Prinzip

  I   Sättigung der stationären Spins
      (Gewebe) → geringes Signal
  I   einfließendes Blut → hohes
      Signal
                                          Siemens AG, Medical Solution, Info-Broschüre:
                                          Magnete, Fluss und Artefakte, Grundlagen,
                                          Techniken und Anwendungen der
                                          Magnetresonanztomographie, 2004

                                                                                           21 / 44
TOF: Das Prinzip

   D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007,
   Cambridge University Press

                                                                                                               22 / 44
TOF: Das Prinzip

      I   Sättigung des venösen Flusses

   Siemens AG, Medical Solution, Info-Broschüre: Magnete, Fluss und Artefakte, Grundlagen, Techniken und
   Anwendungen der Magnetresonanztomographie, 2004

                                                                                                            23 / 44
TOF
Gradienten–Echo–Sequenz

                                               M0 sin θ(1−e −TR/T1 ) −TE/T ∗
                           Signal: S =                              e     2
                                                (1−cos θe −TR/T1 )

                                                                 I   Signalzerfall mit T2∗
                                                                 I   Flipwinkel θ ≤ 90◦
                                                                 I   Maximales Signal:
                                                                     Ernst–Winkel
                                                                     θE = arccos e −TR/T1
                                                                                          

  D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince,
  MRI from Picture to Proton, second edition 2007, Cambridge
  University Press, verändert

                                                                                              24 / 44
TOF: Kontrast
  Flow–Related–Enhancement (FRE):
                                          j−1                       ∗
  FRE = Sj −Sstat = M0 sin θ cos θe −TR/T1      (1 − Sz,stat ) e −TE/T2

  Sj = Signal nach der j-ten Anregung
  Sstat = Signal im stationären Zustand
              1−e −TR/T1
  Sz,stat = 1−cos θe −TR/T1

  I   je kleiner TR/T1 , desto
      größer FRE
  I   je kleiner j, desto größer
      FRE
  I   j = 1 : v⊥ ≥ ∆z
                   TR
      ∆z = Schichtdicke
      v⊥ = Fließgeschwindigkeit     Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of
      senkrecht zur Schicht         MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press, 2004

                                                                                                25 / 44
2D–TOF

   I   Anwendung: Angiographie der peripheren Gefäße (Füße,
       Beine)
   I   Methodik: Aufnahme mehrerer aufeinanderfolgender Schichten
   I   Eigenschaften:
         I   sensibel gegenüber langsamen Fluss
         I   hohe Flipwinkel, kurze TR → effektive Sättigung des
             Umgebungsgewebes
         I   Signalverlust bei turbulentem Fluss
         I   Signalverlust bei Gefäßen 6⊥ Schicht

                                                                    26 / 44
2D–TOF
Beispiel

     2D–TOF–Aufnahme der Arteria vertebralis (Wirbelarterie) und der Carotis (Halsschlagader), MIP = maximum
     intensity projection
     aus: D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007,
     Cambridge University Press, verändert

                                                                                                                      27 / 44
3D–TOF

   I   Anwendung: Angiographie der Gehirnarterien
   I   Methodik: Volumenanregung (slabs) unterteilt in Schichten
   I   Eigenschaften:
         I   sensibler gegenüber langsamen Fluss
         I   dünnere Schichten → höhere Auflösung → weniger intravoxel
             Dephasierung (Artefakte)
         I   besseres SNR gegenüber 2D-TOF
         I   schlechtere Sättigung des Umgebungsgewebes

                                                                            28 / 44
3D–TOF
Beispiel

     3D–TOF, Intrazerebrale Blutung
     aus: S. H. Peng et al., Image quality improvement in three-dimensional time-of-flight magnetic resonance
     angiography using the subtraction method for brain and temporal bone diseases, Jour. Chinese Med. Assoc. 76
     (2013) 458-465

                                                                                                                   29 / 44
3D–TOF: MOTSA

  multiple overlapping thin slab aqcuisition (MOTSA)

  Dissertation von Sandra Baumann,
  Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011,     D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R.
  Time–of–flight–Magnetresonanzangiographie mit   Prince, MRI from Picture to Proton, second edition
  kontinuierlich bewegtem Patiententisch          2007, Cambridge University Press

                                                                                                       30 / 44
3D–TOF: MOTSA
Beispiele

     Aneurysma in der rechten mittleren Gehirnschlagader. A: Single–Volume 3D–TOF, B: MOTSA.
     aus: W. L. Davis, D. D. Blatter, H. R. Harnsberger, D. L. Parker, Intracranial MR Angiography: Comparison of
     Single-Volume Three-Dimensional Time-of-Flight and Multiple Overlapping Thin Slab Acquisition Techniques, AJR
     1994;163:915-920

                                                                                                                     31 / 44
3D–TOF: MOTSA
Beispiele

     2–slab–MOTSA
     Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press,
     2004

                                                                                                                     32 / 44
3D–TOF: MOSA

  multiple oblique stack acquisition (MOSA)

   I   mehrere slabs werden
       gekreuzt
   I   bessere Darstellung von
       Gefäßen 6⊥ Schicht
                                    Dissertation von Sandra Baumann,
                                    Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011,
                                    Time–of–flight–Magnetresonanzangiographie mit
                                    kontinuierlich bewegtem Patiententisch

                                                                                    33 / 44
3D–TOF: MOSA
Beispiel

     S. K. Hui, J. Yang, S. C. Cheung, E. X. Wu, MOTSA TOF-MRA using multi-oblique-stack acquisition (MOSA),
     Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 14 (2006)

                                                                                                               34 / 44
DANTE–Sequenz
  delay alternating with nutation for tailored excitation (DANTE)
    I   Erzeugung eines rechtwinkligen Gitters
    I   ∆ =Entwicklungszeit, time of flight

                                                                    35 / 44
DANTE-TOF
Beispiele

     Flussmessung an einer Gefäßverengung (step stenosis) für verschiedene Flussgeschwindigkeiten bzw.
     Reynolds–Zahlen Re), time of flight 0,12 s
     aus: K. W. Moser, E. C. Kutter, J. G. Georgiadis, R. O. Buckius, H. D. Morris, J. R. Torczynski, Velocity
     measuerment of flow through a step stenosis using Magnetic Resonance Imaging, Experiments in Fluid 29 (2000)
     438-447, verändert

                                                                                                                    36 / 44
DANTE-TOF
Beispiele

     Bantamei nach 121 Stunden Brutzeit für verschiedene times of flight

     Wachtelei nach verschiedenen Brutzeiten, time of flight 1,8 s
     beides aus: U. Görke, R. Kimmich, J. Weis, Detection of Anisotropic Pulsating Flow and Its Velocity-Fluctuation
     Rate in Fertilized Bird Eggs by NMR Microimaging*, Magn. reson., Ser. B, 1996, 111, 236, verändert
                                                                                                                        37 / 44
Arterial Spin Labeling
    I   Labeling plane: Arterielle
        Spins werden invertiert
    I   Im label state: Selektive
        Inversion des imaging slab
    I   Im control state: Globale
        Inversion
    I   → label image: Arterielle
        Spins nicht invertiert
    I   → control image:
        Arterielle Spins sind
        invertiert
                                                                                    H.
    I   Gewebespins sind immer       Wu, W. F. Block, R. Turski, C. A. Mistretta, K. M.
                                     Johnson, Non-contrast Intracranial 3D MR
        invertiert                   Angiography using Pseudo- Continuous Arterial Spin
                                     Labeling(PCASL) and Accelerated 3D Radial
    I   Subtraktion des control      Acquisition. Magn. Reson. Med. 2013 March 1;
                                     69(3): 708-715
        image vom label image
                                                                                          38 / 44
ASL
Beispiele

     H. Wu, W. F. Block, R. Turski, C. A. Mistretta, K. M. Johnson, Non-contrast Intracranial 3D MR Angiography
     using Pseudo- Continuous Arterial Spin Labeling(PCASL) and Accelerated 3D Radial Acquisition. Magn. Reson.
     Med. 2013 March 1; 69(3): 708-715

                                                                                                                  39 / 44
ASL
Beispiele

     H. Wu, W. F. Block, R. Turski, C. A. Mistretta, K. M. Johnson, Non-contrast Intracranial 3D MR Angiography
     using Pseudo- Continuous Arterial Spin Labeling(PCASL) and Accelerated 3D Radial Acquisition. Magn. Reson.
     Med. 2013 March 1; 69(3): 708-715

                                                                                                                  40 / 44
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Literaturverweise
   A. Caprihan, E. Fukushima, Flow Measurements by NMR, Physics Reports 198, No. 4 (1990) 195-235

   Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press,
   2004

   Dissertation von Sandra Baumann, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011,
   Time-of-flight-Magnetresonanzangiographie mit kontinuierlich bewegtem Patiententisch,
   http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8082/pdf/Diss Baumann.pdf, vom 29.05.2014

   Siemens AG, Medical Solution, Info-Broschüre: Magnete, Fluss und Artefakte, Grundlagen, Techniken und
   Anwendungen der Magnetresonanztomographie, 2004

   K. W. Moser, E. C. Kutter, J. G. Georgiadis, R. O. Buckius, H. D. Morris, J. R. Torczynski, Velocity measuerment
   of flow through a step stenosis using Magnetic Resonance Imaging, Experiments in Fluid 29 (2000) 438-447

   W. L. Davis, D. D. Blatter, H. R. Harnsberger, D. L. Parker, Intracranial MR Angiography: Comparison of
   Single-Volume Three-Dimensional Time-of-Flight and Multiple Overlapping Thin Slab Acquisition Techniques, AJR
   1994;163:915-920

   S. K. Hui, J. Yang, S. C. Cheung, E. X. Wu, MOTSA TOF-MRA using multi-oblique-stack acquisition (MOSA),
   Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 14 (2006)

   D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007,
   Cambridge Uniserity Press

   U. Görke, R. Kimmich, J. Weis, Detection of Anisotropic Pulsating Flow and Its Velocity-Fluctuation Rate in
   Fertilized Bird Eggs by NMR Microimaging*, Magn. reson., Ser. B, 1996, 111, 236

   H. Wu, W. F. Block, R. Turski, C. A. Mistretta, K. M. Johnson, Non-contrast Intracranial 3D MR Angiography
   using Pseudo- Continuous Arterial Spin Labeling(PCASL) and Accelerated 3D Radial Acquisition. Magn. Reson.
   Med. 2013 March 1; 69(3): 708?715.

                                                                                                                      42 / 44
2D–TOF

  typische Parameter:
     I   Schichtdicke ∆z = 1 − 3 mm
     I   TR = 20 − 30 ms
     I   TE = 4 − 8 ms
     I   Flipwinkel θ = 50 − 70◦
     I   Flussgeschwindigkeit v = 10 − 100 cm/s
  → Anzahl der Anregungspulse
                α=90◦  3 mm
  j = v sin∆zαTR = 10 cm/s·20 ms = 1,5
  α =Inklinationswinkel zur Schicht

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3D-TOF

 typische Parameter:
   I   Schichtdicke ∆z = 0, 7 mm
   I   Slab–Dicke bis zu einigen
       Zentimetern                 Hier noch ein 3d Tof Bild
   I   TR = 25 − 50 ms
   I   TE = 2 − 7 ms
   I   Flipwinkel θ = 20 − 30◦

                                                               44 / 44
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