1 Diffúziós jelenségeken alapuló képalkotás
-
Upload
dr-jakab-andras -
Category
Business
-
view
2.114 -
download
0
description
Transcript of 1 Diffúziós jelenségeken alapuló képalkotás
Víz: az elfelejtett molekulaDiffúziós jelenségeken alapuló képalkotás (DWI, DTI)
Dr. Jakab AndrásDr. Berényi Ervin
Multimodális képalkotás az idegtudományban kreditkurzus 2010 (c)
„Az elfelejtett molekula”
Különleges
tulajdonságok:
•H-kötések
•Más poláris molekulákhoz
„kötődnek” (fehérjék?)
•Felületi feszültség
•Magas hőkapacitás
•Az oxigén oldhatósága a
vízben
„Az elfelejtett molekula”A víz a biológiai
szövetekben
Kémiai Nobel –díj 2003: Peter Agre (aquaporins), Roderick MacKinnon (K-csat.)
Víz: mérések és képalkotás?
T1 relaxációs idő
T2 relaxációs idő
Protondenzitás
Diffúziógátlás, diffúziós
együttható
Diffúzió iránya
Diffúzió anizotrópiája
Diffúziós térképezés
Más atommagok
„Konvencionális MRI”
Diffusion-weighted imaging
Diffusion tensor imaging
Diffusion spectral
imaging, HARDI
MR spectroscopy
Diffúzió: fizikai alapok1827, Robert BrownElőször: „vis vitalis”,
később szervetlen részecskékre is kimutatta
Véletlenszerű mozgás„Hőmozgás” F.M.Exner, 1900
A diffúzió: fizikai alapok1905: „a csodálatos év”
“On a Heuristic Point of View on the Creation and Conversion of Light”(17 March 1905)(Photo-Electric Effect) Nobel prize in physics, 1921
“On the Electrodynamics of Moving Bodies” (30 June 1905)
“Does the inertia of a body depend on its energy content?”(27 September 1905)(Theory of Special Relativity) E = mc²
“Investigation on the Theory of the Brownian Movement: On the motion of small particles suspended in liquids at rest …”(11 May 1905)
Albert Einstein, 1905 körül
Einstein, 1905A hőmérséklet molekuláris-
kinetikai elmélete: Brown mozgás <- -> molekuláris diffúzió
RANDOM WALK
0
?
Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford
Diffúzió súlyozott képalkotás (DWI)Le Bihan & Breton, CRASS, 1985Intravoxel incoherent motionKépalkotás közben molekuláris
elmozdulás = az MRI jel befolyásolása
Térben változó mágneses tér alkalmazása a „spin echo” MRI képalkotás során: a hely kódolása
Egy helyben álló vs. Mozgó részecskék
Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford
Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford
Diffúzió súlyozott képalkotás képi kontrasztjaHa a vizsgálat közben
elmozdulnak a részecskék: kisebb jel keletkezik
Ha lassú a diffúzió, magasabb jel („több marad a vizsgált területen”)
DWI képalkotás: amit tudni illikDiffúzió súlyozás nagysága (b-faktor)
◦ Defókuszáló, refókuszáló gradiens nagysága (erősség, alak)
◦ Időtartama, szimmetria, időbeli eltérés◦ Diffúzió kódoló grádiens térbeli iránya! (-> DTI!)
◦ Mit tudunk meg a DWI képekről? ◦ ADC = látszólagos diffúziós együttható
DWI alkalmazásaDiffúziógátlás: sejtpusztulás,
membránintegritás, energiaellátottságKorábban, mint a „strukturális” eltérés (T1 v.
T2-n)Diffúzió és perfúzió alkalmazása: stroke
imaging, penumbra meghatározása (ischaemiás stroke: elzárt agyi ér)
DWI: működnek a sejtek???
Perfúzió: kapnak vért a sejtek?
Miért különleges a szöveti diffúzió?A tér különböző irányába eltérő
nagyságot mutat = anizotróp
Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford
Milyen diffúzió létezik?Szabad diffúzió (izotróp)Gátolt diffúzió („restricted”)Akadályozott diffúzió („hindered")
Diffúziós irány megjelenítése A biológiai diffúzió anizotróp, a tér egyes irányába eltérő
diffúziós együtthatót mutat. A diffúzió-súlyozó mágneses tér „irányában” legnagyobb a
nagysága
Herpes encephalitisforrás: emedicine.medscape.com
Egészséges agy
ACA strokeforrás: RADsounds Wiki
Diffúziós tenzor (?) képalkotás Sokféle irányú diffúzió súlyozó grádiens = „sok irányból
megvizsgáljuk a diffúzió nagyságát”
Peter Basser (NIH)
TENZOR: a megjelenítés kulcsa
A „diffúziós térképezés”
diffúzió súlyozott felvételek készítése
voxelen belüli diffúzió térbeli karakterisztikája
tenzor illesztés a diffúzió jellemzésére
A tenzoriális információ ábrázolása szürkeskálás v. egyéb skaláris
képeken
Mi szükséges a diffúziós tenzor képalkotáshoz?
-Több irányú diffúzió súlyozó grádiens alkalmazása a képalkotás (SS EPI) során
- legalább 6 irány
- ajánlott: 24-32 irányból
- a kapott sokdimenziós adathalmaz számítógépesfeldolgozása, színkódolt ésegyéb számolt képek
- együttes megjelenítés másképalkotó módszerekkel
Mit tudunk mérni a DTI-vel? DIFFÚZIÓ NAGYSÁGA (hasonlóan a DWI-hez): ADC
Diffúzió rendezettsége, anizotrópia mértéke (FA) Diffúzió iránya (Color encoded map) Diffúzió nagysága az axonlefutással egy irányban (parallel
diffusivity) Diffúzió nagysága az axonlefutásra merőlegesen
(perpendicular diffusivity)
Fehérállomány: mit tudunk mérni a DTI-vel?
Anizotrópia ++
Anizotrópia +Anizotrópia -Diffúzió -
Anizotrópia - -Diffúzió ? / n
Anizotrópia - -Diffúzió - -
Diffúziós traktográfia Tract = pálya Diffúziós tenzor adatok alapján a fehérállományi
pályák háromdimenziós megjelenítése Agyi összeköttetések (?) Számítógépes adatfeldolgozás és megjelenítés
Diffúziós traktográfia: példák Tractus corticospinalis megjelenítése
Diffúziós traktográfia: példák Egyéb pályák megjelenítése
Right handed Left handed
NeuroImage 35 (2007) 1064–1076
Fasciculus arcuatus megjelenítése: jobb és balkezesek esetén
Konnektivity (c) Jakab A.
A diffúziós tenzorokon túl… A diffúzió irányának pontosabb feloldása = HARDI (high
angular resolution diffusion imaging) Diffúzió súlyozó grádiensek akár 50-200 irányból is A rostlefutás pontosabb ábrázolása: crossing fibers esetén ODF, Q-ball, Diffusion spectral imaging, etc.
DTI és a multimodalitás DTI és más, pl. strukturális MRI képek együttes
megjelenítése Térbeli illesztés, koregisztráció szükséges TÖBBLETINFORMÁCIÓ: fehérállományi képletek
ÖSSZEFOGLALÁS A MÓDSZEREKRŐL
T1, T2-súlyozott MRI: a hidrogén protonok relaxációs ideje a szöveti környezettől függően
Diffúzió súlyozott MRI (DWI) : a diffúzió nagysága, irányultság nélkül
Diffúziós tenzor MRI (DTI): a diffúziós iránya, anizotrópiája
Traktográfia: pályák lefutása
Diffusion spectrum imaging (DSI): diffúzió térbeli karakterisztikája, egy térrészen belüli többszörös rostpopulációk megjelenítése
A DTI és egyéb módszerek adatait kombinálni lehet más képalkotó módszerekkel (T1 MRI, CT, PET, stb.)
DTI: Klinikai példák, felhasználás
DTI alkalmazásai 1.Fehérállomány strukturája
◦Egészséges fejlődés megjelenítése : megvan-e mindene??
◦Tumorok által széttolt, stb. pályák = anatómia
Szöveti integritás◦Demyelinisatio (Sclerosis multiplex)◦Axonális károsodás: Wallerian degeneráció◦Oedema (nem specifikus)◦Beteg szövetek jellemzése: neuroonkológia
DTI a neuroonkológiában• DTI szerepe a tumorok képalkotó
diagnosztikájában– FA csökkenése: fehérállomány tumoros
infiltrációja / citotoxikus oedema– Tumor FA: cellularitás, proliferációs aktivitás– „current literature”:
• Frakcionális anizotrópia: Cellularitás és proliferációs aktivitás (MIB-2)• MRS és DTI: Proliferációs aktivitás (Ki-67)• FA: Low grade vs. Anaplasticus glioma• ADC hisztogramok: 1p/19q l.o.h. oligodendrogliomákban• „Oligo-like” és „astro-like” komponens megjelenítése• ADC hisztogram: Terápiás válasz (Bevacizumab), progressziómentes időtartam
becslése
– fehérállományi képletek megjelenítése kolorizált FA képeken, ezek helyzete a tumorhoz
– FEJLŐDŐ TUDOMÁNYÁG, ALAPKUTATÁS SZEREPE!
mean FA: 0.1887
mean ADC(x1k): 1.4791
DTI a neuroonkológiábanA. Jakab, M. Emri, P. Molnár, E. Berényi. Glioma grade assessment by using histogram analysis of diffusion tensor imaging-derived maps. Neuroradiology. 2010 Sep 21.
Az agytumor grádusa:Alacsony? (WHO I-II) Magas? (WHO III-IV)
DTI: klinikai példák
• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.
• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.
• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.
• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography: Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.
• Forrás: Lee et al. Diffusion-Tensor MR Imaging and Fiber Tractography: A New Method of Describing Aberrant Fiber Connections in Developmental CNS Anomalies
Cerebral palsy in a 20-month-old girl with spastic hemiplegia.
• Forrás: Berényi E, Jakab A
Kisgyermek, epilepsiás rohamok
Ohdo syndroma
DTI: Érdekességek
NeuroImage 37 (2007) S109–S115
STN és DTI
Convection Enhanced Delivery
Köszönöm a figyelmet!