MRI-Angiographie Time-of-Flight-Methode
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Überblick I Historisches I Physikalische Grundlage I MRI–Grundlagen I Time–of–Flight I DANTE I Arterial Spin Labeling 2 / 44
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
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 4 / 44
Physikalische Grundlagen I Ausbildung einer Netto–Magnetisierung in B0 –Richtung I Präzession eines magn. Moments im externen B0 –Feld I Faraday’sche Induktion → Signal 5 / 44
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 6 / 44
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
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
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 9 / 44
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 43 / 44
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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