MRI-Angiographie Time of Flight Methode
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- Liane Lange
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1 MRI-Angiographie Time of Flight Methode Philipp Hermeling 5. Juni / 44
2 Überblick Historisches Physikalische Grundlage MRI Grundlagen Time of Flight DANTE Arterial Spin Labeling 2 / 44
3 Historisches zu MRI 1945 F. Bloch und E. M. Purcell: Entdeckung der Kernspinresonanz 1952 Nobel Preis 1949 E. Hahn: Entdeckung des NMR Spin Echos 1971 R. Damadian: Entdeckung unterschiedlicher Relaxationszeiten von Tumor und gesundem Gewebe 1973/4 P. Lauterbur und Sir P. Mansfield: Entwickelung Konzepte zur NMR Bildgebung 2003 Nobel Preis 1978 I. Clow und H. Young: Erstes NMR Bild des menschl. Gehirns Mitte 1990er: mehr als MRT Scanner weltweit im Einsatz heute: gängige Methode für die medizinische Diagnostik R. Damadian: Apparatus for detecting cancer tissue, Erste MRI Aufnahme des menschl. Gehirns bei 0,1 T. beide aus: Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press, / 44
4 Physiklische Grundlagen Zeemann Effekt Aufspaltung der Energieniveaus im externen B Feld Resonante Anregung möglich: E = ω ω 0 = γb 0 ω 0 = ω RF ω 0 = Lamorfequenz B 0 = statisches Magnetfeld γ = gyromagnetisches Verhältnis γ1 H = 267, rad s T ˆ= 42, 576 MHz T 4 / 44
5 Physikalische Grundlagen Ausbildung einer Netto Magnetisierung in B 0 Richtung Präzession eines magn. Moments im externen B 0 Feld Faraday sche Induktion Signal 5 / 44
6 Pulsexperiment Spin Echo Sequenz RF: Radio Frequenz TE: Echo Zeit ( ms) TR: Repetition Zeit (0, 5 3 s) 90 Puls: Resonante Anregung 180 Puls: Rephasierung Echo 6 / 44
7 Pulsexperiment Relaxationszeiten Singal ρ( V )e TE/T 2 ( ) 1 e TR/T 1 ρ( V ) =Protonendichte im Volumenelement V Longitudinale (Spin Gitter )Relaxation T 1 : M z (t) ( 1 e t/t ) 1 Transversale (Spin Spin )Relaxation T 2 : M xy (t) e t/t 2 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
8 Pulsexperiment Relaxationszeiten T2 : 1 T2 = 1 T T 2 T 2 1/(γ B) T 2 T 2 T 1 B =B. Feld Inhomogenitäten 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
9 Bildgebung Schichtselektion Magnetfeldgradient G Schicht Resonanzfrequenz ortsabhängig: ω(z) = γ(b 0 + G z z) Schichtdicke z abhängig von Gradientenstärke G und RF Bandbreite ω RF Puls: sinc(t) = sin(t) t 9 / 44
10 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
11 Bildgebung Ortskodierung y Richtung: Phasenkodierung x Richtung: Frequenzkodierung Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press, 2004, verändert 11 / 44
12 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
13 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
14 Bildgebung Spin Echo Sequenz Signal: S(t) V ρ(x, y)exp [ i(ω 0 + ω freq )t + iφ phase ] dv Bild = 2D Fourier Transformation des Signals 14 / 44
15 Bildgebung Kontrast Singal ρ( V )e TE/T 2 ρ( V ) =Protonendichte im Volumenelement V T 1 Gewichtung: TR T1, TE T 2 Fett hell, Wasser dunkel T 2 Gewichtung ( ) 1 e TR/T 1 TR T 1, TE T 2 Wasser hell Protonendichtegewichtung TR T1, TE T 2 Gewebe weniger kontrastiert a = T1 gewichtet : Parenchym hell, Liquor dunkel b = T2 gewichtet : Parenchym dunkel, Liquor hell c = PD gewichtet : Parenchym hell, Liquor dunkel / 44
16 Bildqualität von vielen Parametern abhängig Kontrast: C(TE,TR) = S A S B /(S A + S B ), S A,B =Signal aus Gewebe A bzw. B Signal zu Rausch Verhältnis: SNR = Signal/Rauschen SNR Voxelvolumen SNR NEX, NEX = Anzahl d. Signal Acquisitionen Kontrast zu Rauschverhältnis CNR = S A S B /Rauschen Auflösung Artefakte Bildqualität Messzeit 16 / 44
17 klinische MRT Apparate Philips Achieva 3.0T TX. Philips Panorama HFO, Offenes System / 44
18 klinische MRT Apparate / 44
19 Angiographie Angiographie: Darstellung von (Blut )Gefäßen mittels diagnostischer Bildgebungsverfahren MRI Angiographie (auch MRA): Time of Flight Methode Dark Blood Methode Phasenkontrast Methode Kontrastmittelverstärkte Angiographie vom / 44
20 TOF time of flight (TOF) Arterio und Venographie kein Kontrastmittel 2D & 3D Bildgebung flusssensibel 20 / 44
21 TOF: Das Prinzip Sättigung der stationären Spins (Gewebe) geringes Signal einfließendes Blut hohes Signal Siemens AG, Medical Solution, Info-Broschüre: Magnete, Fluss und Artefakte, Grundlagen, Techniken und Anwendungen der Magnetresonanztomographie, / 44
22 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
23 TOF: Das Prinzip Sättigung des venösen Flusses Siemens AG, Medical Solution, Info-Broschüre: Magnete, Fluss und Artefakte, Grundlagen, Techniken und Anwendungen der Magnetresonanztomographie, / 44
24 TOF Gradienten Echo Sequenz Signal: S = M 0 sin θ(1 e TR/T 1 ) (1 cos θe TR/T 1 ) e TE/T 2 D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007, Cambridge University Press, verändert Signalzerfall mit T 2 Flipwinkel θ 90 Maximales Signal: Ernst Winkel θ E = arccos ( e TR/T ) 1 24 / 44
25 TOF: Kontrast Flow Related Enhancement (FRE): ( j 1 FRE = S j S stat = M 0 sin θ cos θe 1) TR/T (1 Sz,stat ) e TE/T 2 S j = Signal nach der j-ten Anregung S stat = Signal im stationären Zustand S z,stat = 1 e TR/T 1 1 cos θe TR/T 1 je kleiner TR/T 1, desto größer FRE je kleiner j, desto größer FRE j = 1 : v z TR z = Schichtdicke v = Fließgeschwindigkeit senkrecht zur Schicht Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press, / 44
26 2D TOF Anwendung: Angiographie der peripheren Gefäße (Füße, Beine) Methodik: Aufnahme mehrerer aufeinanderfolgender Schichten Eigenschaften: sensibel gegenüber langsamen Fluss hohe Flipwinkel, kurze TR effektive Sättigung des Umgebungsgewebes Signalverlust bei turbulentem Fluss Signalverlust bei Gefäßen Schicht 26 / 44
27 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
28 3D TOF Anwendung: Angiographie der Gehirnarterien Methodik: Volumenanregung (slabs) unterteilt in Schichten Eigenschaften: sensibler gegenüber langsamen Fluss dünnere Schichten höhere Auflösung weniger intravoxel Dephasierung (Artefakte) besseres SNR gegenüber 2D-TOF schlechtere Sättigung des Umgebungsgewebes 28 / 44
29 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) / 44
30 3D TOF: MOTSA multiple overlapping thin slab aqcuisition (MOTSA) Dissertation von Sandra Baumann, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011, Time of flight Magnetresonanzangiographie mit kontinuierlich bewegtem Patiententisch D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second edition 2007, Cambridge University Press 30 / 44
31 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: / 44
32 3D TOF: MOTSA Beispiele 2 slab MOTSA Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier Academic Press, / 44
33 3D TOF: MOSA multiple oblique stack acquisition (MOSA) mehrere slabs werden gekreuzt bessere Darstellung von Gefäßen Schicht Dissertation von Sandra Baumann, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011, Time of flight Magnetresonanzangiographie mit kontinuierlich bewegtem Patiententisch 33 / 44
34 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
35 DANTE Sequenz delay alternating with nutation for tailored excitation (DANTE) Erzeugung eines rechtwinkligen Gitters =Entwicklungszeit, time of flight 35 / 44
36 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) , verändert 36 / 44
37 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
38 Arterial Spin Labeling Labeling plane: Arterielle Spins werden invertiert Im label state: Selektive Inversion des imaging slab Im control state: Globale Inversion label image: Arterielle Spins nicht invertiert control image: Arterielle Spins sind invertiert Gewebespins sind immer invertiert Subtraktion des control image vom label image 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 March 1; 69(3): / 44
39 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 March 1; 69(3): / 44
40 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 March 1; 69(3): / 44
41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 41 / 44
42 Literaturverweise A. Caprihan, E. Fukushima, Flow Measurements by NMR, Physics Reports 198, No. 4 (1990) 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, Baumann.pdf, vom 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) 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: 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 March 1; 69(3): 708? / 44
43 2D TOF typische Parameter: Schichtdicke z = 1 3 mm TR = ms TE = 4 8 ms Flipwinkel θ = Flussgeschwindigkeit v = cm/s Anzahl der Anregungspulse j = z α=90 3 mm v sin αtr = 10 cm/s 20 ms = 1,5 α =Inklinationswinkel zur Schicht 43 / 44
44 3D-TOF typische Parameter: Schichtdicke z = 0, 7 mm Slab Dicke bis zu einigen Zentimetern TR = ms TE = 2 7 ms Flipwinkel θ = Hier noch ein 3d Tof Bild 44 / 44
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