Grundlagen funktionelle MRT (fMRT) - Baltic Imaging Center · Die Zeit, die zwischen zwei...
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Grundlagen funktionelle MRT (fMRT) Funktionelle Bildgebun Diagnostische Radiologie und Neuroradiolog Universität Greifswa Martin Lotze, Jörg Pfannmöller
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Grundlagen funktionelle MRT (fMRT)
Funktionelle BildgebungDiagnostische Radiologie und Neuroradiologie
Universität GreifswaldMartin Lotze, Jörg Pfannmöller
Aufbau eines MRT-Scanners
Tierscanner (4T)
RFSpule
4T Magnet
Gradienten-spule
(innen)
Kopfspule Oberflächenspule
Gradientenspule
Quelle: Jorge Jovicich
Technologische Realisierung
Grundlagen MRT
1. Äußeres Magnetfeld
Wird ein äußeres Magnetfeld eingeschaltet, richten sich die Spins darin aus.
Längsmagnetisierung
M Z= (! parallelenSpins)_ (! antiparalleleSpins)
Folie von Antje Kickhefel
2. HF-Puls / Radiowellen
Die Längsmagnetisierung kippt immer mehr aus der Z-Richtung heraus.
Rotationssystemdes Spins
spezieller Radiofrequenz-Puls auf die Protonen eingestrahlt
RF Pulse lenken die Protonen aus der z-Richtung heraus; Protonen absorbieren Energie.
Nach Ausschalten der RF Pulse schwingen die Protonen wieder in die Ausgangslage.
fmri4newbies.com
Folie von Antje Kickhefel
Folie von Antje Kickhefel
Keine Gravitation
Schwache Gravitation
Starke Gravitation
Protonen besitzen einen Eigendrehimpuls SPINAnalogie: Proton im Magnetfeld Keisel im Gravitationsfeld
Larmorgleichung: fL=γB
fL Larmorfrequenz γ gyromagnetisches Verhältnis B Magnetfeld
f L=42.56MHz
Tesla3Tesla=127.68MHz
Präzession von Kreiseln und Spins
Wird der HF-Puls ausgeschaltet, kommt es zur Relaxation:
Relaxation
T1-Relaxation, welche durch die Spin-Gitter-Wechsel-Wirkung entsteht.
T2-Relaxation, welche durch Spin - Spin -WechselwirkungEntsteht. gemessen wird jedoch oft T2*, da zusätzlich Inhomogenitäten des äußeren Magnetfeldes die Relaxationszeit verändern
T1-Relaxation
Folie von Antje Kickhefel
T2-Relaxation
3. Das MR-Signal
MXY wirkt wie ein elektrischer Generator und induziert in der Empfangsspule
eine Wechselspannung, deren Frequenz gleich der Lamorfrequenz ist. MR-Signal
Magnetischer Summenvektor dreht in XY-Ebene ( )MXY
(transversale Magnetisierung)
Folie von Antje Kickhefel
Die T1- und T2-Zeiten sind charakteristisch für unterschiedliche Gewebe, wodurch Bildkontraste entstehen.
Bildkontraste
(T1) (T2)
(cerebrospinal fluid)
fat has highsignal bright
CSF has lowsignal dark
T1-WEIGHTED ANATOMICAL IMAGE T2-WEIGHTED ANATOMICAL IMAGE
fat has lowsignal dark
CSF has highsignal bright
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Die Zeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Anregungen derselben Schicht verstreicht, nennt man Repetitionszeit.
Sie beeinflusst den T1-Kontrast entscheidend.
Repetitionszeit (TR)
Um so länger TR, um so mehr kippen die angeregten Spins in die Z-Richtung zurück.
Kurze Repetitionszeit Gewebe mit kurzer T1-Zeit relaxieren rasch und geben nach erneuter Anregung viel Signal.
Lange Repetitionszeit Alle Gewebe, auch jene mit langer T1-Zeit, haben genügend Zeit zur Relaxation und geben ähnliche Signale.
Gewebe mit langer T1-Zeit können bei erneuter Anregung nur wenig Signal beitragen, da sie noch nicht vollständig relaxiert sind.
Folie von Antje Kickhefel
Zusammenhang von TR und T1
Gewebe mit kurzem T1 erscheinen in T1-gewichteten Bildern hell.
Gewebe mit langer T1 erscheinen dunkel.(wenig Signal / z-Magnetisierung)
Kurzes TR starke T1-GewichtungLanges TR geringe T1-Gewichtung
Folie von Antje Kickhefel
Die Echozeit, ist diejenige Zeitspanne, die man nach der Anregung bis zur Messung des MR-Signals verstreichen lässt.
Sie beeinflusst den T2-Kontrast entscheidend.
Echozeit (TE)
Kurze Echozeit Signalunterschiede noch klein, da die Relaxationerst begonnen hat.
Lange Echozeit Deutliche Signalunterschiede
Folie von Antje Kickhefel
Zusammenhang von TE und T2
Gewebe mit kurzem T2 erscheinen in T2-gewichteten Bildern dunkel.
Gewebe mit langer T2 erscheinen hell.
Kurzes TE geringe T2-GewichtungLanges TE starke T2-Gewichtung
Folie von Antje Kickhefel
Übersicht
[ms]
Folie von Antje Kickhefel
Einfluss vonTR/TE aufSpin-Echo-Sequenz
TR=500ms
TR=750ms
TR=2000ms
TR=1000ms
TR=250ms
TE=80msTE=60msTE=40msTE=20ms
Ortskodierung
SchichtwahlHätte man nur ein homogenes Magnetfeld im MRT, würden alle Spins im Körper mit der gleichen Lamorfrequenz angeregt werden und man könnte ihre Signale nicht lokalisieren. Zur Schichtauswahl wird
ein GRADIENT in Z-Richtung verwendet.
Energieabsorption nur für
frf = fL = γB
Folie von Antje Kickhefel
Gradient in X-RichtungPhasencodierung
Bewirkt, dass Lamorfrequenz oben im Tomographen etwas Höher ist als unten.
Spins oben präzedierenschneller und haben daher eine Phasenverschiebung gegen-über den unteren Spins.
Gradient in X-Richtung
Ortskodierung x-Richtung
Folie von Antje Kickhefel
Ortskodierung y-RichtungGradient in Y-Richtung
Frequenzcodierung
Bewirkt, dass Lamorfrequenz von rechts nach links zunimmt.
Wird MR-Signal gemessen, erhält man ein Frequenzspektrum.
Jede Spalte kann durch ihre Frequenz identifiziert werden.
Y
Folie von Antje Kickhefel
EPI Sequenz
Zeitskalen im Vergleich
Fortschritte in der Sequenzentwicklung
- Repetitionszeit bei einem konventionellem T2-gewichteten Bild bei mindestens 3 mal T1 (intrinsic tissue magnetization parameter) d.h. bei T1 von normalerweise bei 1s (Wasser oder Liquor mehr!) liegt TR bei > 3sec- bei 128 Messungen leicht bei 6,5 Minuten
- dagegen EPI:
- bei gleicher Auflösung in 40 bis 150 ms fertig!
⇒10 000-facher Zeitgewinn! Erreicht durch einen Trick bei der Raumenkodierung.
Durchbruch in der Sequenzentwicklung
Konventionell (spin warp) EPI
K-Raum Trajektorie
• Schnell• T2-Sensitiv
-oscillating readout gradient-following each readout excursion, a brief pulse of the phase encoding gradient is used to move to the next line in the phase encode direction
(gepulstes) Echo Planar Imaging (EPI)
ist abhängig von1. Transversale Magnetisierung (pulse sequence and contrast) => EPI günstig2. Zeit der Bildgebung (or more precisely, time spent receiving the signal) => extrem kurz3. Bandbreite (signal sampling rate) => read out hoch bei EPI (300 stat 32 kHz), phase niedrig4. Feldstärke (unabhängig von Bildgebung)5. RF coil loading (unabhängig von Bildgebung)6. Voxelgröße
Signal to Noise Ratio (SNR)
1. chemical shift: Fett-Wasser bei 3T um 5 pixelverschoben
=> Korrektur notwendig wie Fettsättigung
2. Distorsionen: Probleme bei Koregistrierung fMRImit konventionellen Bildern
3. Ghosting aufgrund von Bewegung. Tritt in Phasenkodierrichtung auf.
Artefakte bei EPIs
Detailierte Diskussion Julia Wendt.
Based on Robert Cox’s web slides
Obwohl dies auf den ersten Blicknicht besonders brauchbarerscheint, gründet sich hierrauf derEffekt der T2* Bildgebung für dieDarstellung von Hirnfunktionen.
T2* gewichtete Bilder sind sehr sensitiv für lokale Feldinhomogenitätendie besonders zwischen Luft und Gewebe auftreten
sinuses
earcanals
Detailierte Diskussion Glad Mihai.
lokale Feldinhomogenitäten keine lokalen Feldinhomogenitäten
schwaches Signal starkes Signal
Blood Oxygenation Level Dependent Effect
RUHE
schwaches Signal
AKTIVITÄT
starkes Signal
Der BOLD-Effekt
Source: Kwong et al., 1992
Flackerndes SchachbrettOFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s)
Erste fMRT's
Interpretation
Source: Arthurs & Boniface, 2002, Trends in Neurosciences
Physiologie des BOLD-Signals
Local Field Potentials (LFP)• reflect post-synaptic potentials• similar to what EEG (ERPs) and MEG measure
Multi-Unit Activity (MUA)• reflects action potentials/spiking• similar to what most electrophysiology measures
Logothetis et al. (2001)• combined BOLD fMRI and electrophysiological
recordings• found that BOLD activity is more closely related
to LFPs than MUA
Source: Logothetis et al., 2001, Nature
Korrelation von BOLD, MUA und LFP
Schwartz et al. 1979Courtesy: Tobias Sommer
⇒ In den Synapsen und nicht im Zellkörper
Glutamate
Wo ist der Hauptmetabolismus der Energie?
Der Bedarf an Sauerstoff alleinsteuert nicht den BOLD-Effekt
Korrelation von BOLD und Energieverbrauch
fMRI signal stronglyrelated to input-processing
Input processing mostenergy-consuming taskfor neurons
Glucose fuels neurons
(Mukamel et al., 2005)(Heeger et al., 2000)
⇒ BOLD-Signal strongly correlated with both action potentials and synaptic activity
Courtesy: Tobias Sommer
Action Potentials vs. Synaptic Activity
-> Synaptische Hemmung kann zu einem negativenBOLD-Signal führen
Lauritzen,2005
Raichle et al,1998
Negatives BOLD-Signal?
