funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie

Transkript

1 Rüdiger Stirnberg Medizinphysikseminar, WS 06/07 am 17. Januar / 40

2 Gliederung 1 Motivation 2 3 Ursachen des s Hämodynamische Antwortfunktion Echo-Planar-Imaging Typische Größen Experimente mit BOLD-fMRT Designplanung Datenanalyse 4 2 / 40

3 Warum funktionelle MRT? Ziel der fmrt: Darstellung neuronal aktiver Hirnregionen. 3 / 40

4 Warum funktionelle MRT? Ziel der fmrt: Darstellung neuronal aktiver Hirnregionen. Vorteile gegenüber anderen funktionellen Bildgebungsverfahren wie PET EEG MEG...: 3 / 40

5 Warum funktionelle MRT? Ziel der fmrt: Darstellung neuronal aktiver Hirnregionen. Vorteile gegenüber anderen funktionellen Bildgebungsverfahren wie PET EEG MEG...: Hohe räumliche Auflösung! 3 / 40

6 Warum funktionelle MRT? Ziel der fmrt: Darstellung neuronal aktiver Hirnregionen. Vorteile gegenüber anderen funktionellen Bildgebungsverfahren wie PET EEG MEG...: Hohe räumliche Auflösung! Nicht invasiv! 3 / 40

7 Gewebe hat hohen Wassergehalt Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Gewebe hat wegen Wassergehalt hohe Protonendichte 4 / 40

8 Gewebe hat hohen Wassergehalt Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Gewebe hat wegen Wassergehalt hohe Protonendichte Protonen besitzen Kernspin stellen kleine magnetische Dipole dar [4] 4 / 40

9 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Viele Spins bilden Gesamtmagnetisierung Anlegen eines homogenen Magnetfeldes B 0 in z-richtung 5 / 40

10 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Viele Spins bilden Gesamtmagnetisierung Anlegen eines homogenen Magnetfeldes B 0 in z-richtung Gesamtmagnetisierung Präzessionsachsen entlang der z-achse 5 / 40

11 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Viele Spins bilden Gesamtmagnetisierung Anlegen eines homogenen Magnetfeldes B 0 in z-richtung Gesamtmagnetisierung Präzessionsachsen entlang der z-achse kleiner Überschuss parallel statt antiparallel, weil energetisch günstiger 5 / 40

12 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Viele Spins bilden Gesamtmagnetisierung Anlegen eines homogenen Magnetfeldes B 0 in z-richtung [4] Gesamtmagnetisierung Präzessionsachsen entlang der z-achse kleiner Überschuss parallel statt antiparallel, weil energetisch günstiger Es entsteht eine statische Gesamtmagnetisierung M = M 0 e z in Richtung von B 0. 5 / 40

13 Larmorfrequenz Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Bringt man M aus der Ruhelage Präzession mit Larmorfrequenz ω 0 6 / 40

14 Larmorfrequenz Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Bringt man M aus der Ruhelage Präzession mit Larmorfrequenz ω 0 Larmorfrequenz ω 0 = γb 0 Mit γ 2, s 1 T 1 (Gyromagnetisches Moment) 6 / 40

15 Anregung und FID Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Umklappen der Spins um, z.b. x-achse, mit magnetischem Hochfrequenz(HF)-Feld B 1 (t) in x-richtung [4] 7 / 40

16 Anregung und FID Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Umklappen der Spins um, z.b. x-achse, mit magnetischem Hochfrequenz(HF)-Feld B 1 (t) in x-richtung Abgestrahltes B-Feld (Magnetisierung in xy-ebene M xy ) mit HF-Erregerspule messbar. [4] 7 / 40

17 Anregung und FID Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Umklappen der Spins um, z.b. x-achse, mit magnetischem Hochfrequenz(HF)-Feld B 1 (t) in x-richtung Abgestrahltes B-Feld (Magnetisierung in xy-ebene M xy ) mit HF-Erregerspule messbar. Signal fällt rasch ab Free Induction Decay (FID) [4] [4] 7 / 40

18 Relaxation Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Die Magnetisierung dephasiert schnell in der xy-ebene. Das Signal wird schnell kleiner: 8 / 40

19 Relaxation Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Die Magnetisierung dephasiert schnell in der xy-ebene. Das Signal wird schnell kleiner: Ohne mikroskopische B-Feld-Inhomogenitäten exp. Abfall mit (intrinsischer) T 2 -Relaxationszeit 8 / 40

20 Relaxation Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Die Magnetisierung dephasiert schnell in der xy-ebene. Das Signal wird schnell kleiner: Ohne mikroskopische B-Feld-Inhomogenitäten exp. Abfall mit (intrinsischer) T 2 -Relaxationszeit Mit mikroskopischen B-Feld-Inhomogenitäten (realistisch) schnellerer exp. Abfall mit T 2 -Relaxationszeit 8 / 40

21 Relaxation Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Die Magnetisierung dephasiert schnell in der xy-ebene. Das Signal wird schnell kleiner: Ohne mikroskopische B-Feld-Inhomogenitäten exp. Abfall mit (intrinsischer) T 2 -Relaxationszeit Mit mikroskopischen B-Feld-Inhomogenitäten (realistisch) schnellerer exp. Abfall mit T 2 -Relaxationszeit Zusätzliche Erholung der Längsmagnetisierung M z T 1 -Relaxation [4] 8 / 40

22 Relaxation Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Die Magnetisierung dephasiert schnell in der xy-ebene. Das Signal wird schnell kleiner: Ohne mikroskopische B-Feld-Inhomogenitäten exp. Abfall mit (intrinsischer) T 2 -Relaxationszeit Mit mikroskopischen B-Feld-Inhomogenitäten (realistisch) schnellerer exp. Abfall mit T 2 -Relaxationszeit Zusätzliche Erholung der Längsmagnetisierung M z T 1 -Relaxation Es gilt immer: [4] Relaxationszeiten T 1 T 2 T 2 T 2 8 / 40

23 Echo Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Mit Hilfe von Magnetfeld-Gradienten in z-richtung kann man... 9 / 40

24 Echo Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Mit Hilfe von Magnetfeld-Gradienten in z-richtung kann man... 1 einen Körperquerschnitt in z-richtung auswählen (Schichtselektions-Gradient G S ) 9 / 40

25 Echo Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Mit Hilfe von Magnetfeld-Gradienten in z-richtung kann man... 1 einen Körperquerschnitt in z-richtung auswählen (Schichtselektions-Gradient G S ) 2 Signalstärken der Spins innerhalb der Schicht genau messen (durch Phasenkodier- und Auslese-Gradient G P und G R ) 9 / 40

26 Echo Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Mit Hilfe von Magnetfeld-Gradienten in z-richtung kann man... 1 einen Körperquerschnitt in z-richtung auswählen (Schichtselektions-Gradient G S ) 2 Signalstärken der Spins innerhalb der Schicht genau messen (durch Phasenkodier- und Auslese-Gradient G P und G R ) Durch Schritt 2 dephasiert das Signal sehr schnell. Es ist aber zurückholbar (Echo) 9 / 40

27 Echo Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Mit Hilfe von Magnetfeld-Gradienten in z-richtung kann man... 1 einen Körperquerschnitt in z-richtung auswählen (Schichtselektions-Gradient G S ) 2 Signalstärken der Spins innerhalb der Schicht genau messen (durch Phasenkodier- und Auslese-Gradient G P und G R ) Durch Schritt 2 dephasiert das Signal sehr schnell. Es ist aber zurückholbar (Echo) Spin-Echo-Puls-Sequenz (SE), oder Gradienten-Echo-Puls-Sequenz (GE) 9 / 40

28 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Gradienten-Echo-Puls-Sequenz (GE 1) 10 / 40

29 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Gradienten-Echo-Puls-Sequenz (GE 1) Beim GE ist man an e TE/T 2 -Zerfall (kurz: T 2 -Zerfall) gebunden. 10 / 40

30 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Gradienten-Echo-Puls-Sequenz (GE 1) Beim GE ist man an e TE/T 2 -Zerfall (kurz: T 2 -Zerfall) gebunden. Beim SE zerfällt Echo-Höhe wegen 180 -Puls nur mit e TE/T / 40

31 Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Gradienten-Echo-Puls-Sequenz (GE 1) Wichtig: Beim GE ist man an e TE/T 2 -Zerfall (kurz: T 2 -Zerfall) gebunden. Beim SE zerfällt Echo-Höhe wegen 180 -Puls nur mit e TE/T 2. T 2 -Zerfall macht sich nur in GE-Sequenzen bemerkbar. 10 / 40

32 Bildkontrast Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung 3 experimentell verfügbare Parameter: 11 / 40

33 Bildkontrast Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung 3 experimentell verfügbare Parameter: TE: Echo-Zeit von Anregung bis Echo TR: Wiederhol-Zeit von Anregung bis zur nächsten Anregung Flip-Winkel α maximales Signal für Ernst-Winkel α = arccos(e TR/T1 ) 11 / 40

34 Bildkontrast Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung 3 experimentell verfügbare Parameter: TE: Echo-Zeit von Anregung bis Echo TR: Wiederhol-Zeit von Anregung bis zur nächsten Anregung Flip-Winkel α maximales Signal für Ernst-Winkel α = arccos(e TR/T1 ) 3 wesentliche Parameter für Bildkontrast 11 / 40

35 Bildkontrast Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung 3 experimentell verfügbare Parameter: TE: Echo-Zeit von Anregung bis Echo TR: Wiederhol-Zeit von Anregung bis zur nächsten Anregung Flip-Winkel α maximales Signal für Ernst-Winkel α = arccos(e TR/T1 ) 3 wesentliche Parameter für Bildkontrast Protonendichte ρ Signal proportional zu ρ T 1 -Relaxationszeit unterschiedlich in verschiedenem Gewebe T 2 - oder T 2 -Relax.-Zeit unterschieldich in versch. Gewebe 11 / 40

36 Bildkontrast Motivation Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung 3 experimentell verfügbare Parameter: TE: Echo-Zeit von Anregung bis Echo TR: Wiederhol-Zeit von Anregung bis zur nächsten Anregung Flip-Winkel α maximales Signal für Ernst-Winkel α = arccos(e TR/T1 ) 3 wesentliche Parameter für Bildkontrast Protonendichte ρ Signal proportional zu ρ T 1 -Relaxationszeit unterschiedlich in verschiedenem Gewebe T 2 - oder T 2 -Relax.-Zeit unterschieldich in versch. Gewebe aktuellere Werte: weiße Substanz: T ms; T 2 80 ms graue Substanz: T ms; T 2 80 ms [5] 11 / 40

37 Gewichtung a) Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Ziel ist bei der... ρ-gewichtung: maximales Signal TR lang (> T 1 ), TE kurz ( T 2 ) 12 / 40

38 Gewichtung a) Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Ziel ist bei der... ρ-gewichtung: maximales Signal TR lang (> T 1 ), TE kurz ( T 2 ) T 1 -Gewichtung: max. Kontrast zw. 2 Gewebearten TR kurz ( T 1 ), TE kurz ( T 2 ) 12 / 40

39 Gewichtung a) Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung Ziel ist bei der... ρ-gewichtung: maximales Signal TR lang (> T 1 ), TE kurz ( T 2 ) T 1 -Gewichtung: max. Kontrast zw. 2 Gewebearten TR kurz ( T 1 ), TE kurz ( T 2 ) T ( ) 2 -Gewichtung: max. Kontrast zw. 2 Gewebearten TR lang (> T 1 ), TE lang ( T ( ) 2 ) 12 / 40

40 Gewichtung b) Gesamtmagnetisierung Anregung, FID und Echo Echosequenzen Gewichtung [6] [4] 13 / 40

41 Gliederung Motivation 1 Motivation 2 3 Ursachen des s Hämodynamische Antwortfunktion Echo-Planar-Imaging Typische Größen Experimente mit BOLD-fMRT Designplanung Datenanalyse 4 14 / 40

42 3 verschiedene 15 / 40

43 3 verschiedene Exogene Kontrastmittel historisch Kontrastmittel: hochparamagnetischer Stoff (Gadolinium-Diethyl-Pentaessigsäure) In Hirnarealen mit erhöhtem regionalen cerebralen Blutfluss (rcbf) Reduktion der T 2 -Zeit. 15 / 40

44 3 verschiedene Exogene Kontrastmittel historisch Kontrastmittel: hochparamagnetischer Stoff (Gadolinium-Diethyl-Pentaessigsäure) In Hirnarealen mit erhöhtem regionalen cerebralen Blutfluss (rcbf) Reduktion der T 2 -Zeit. Perfusionsbasierte fmrt arterielle Spinmarkierung: Invertierung der Spins innerhalb einer Schicht in den Arterien Dort, wo markierte Spins hinfließen (je nacht Stärke des rcbf) Reduktion der Gesamtmagnetisierung. 15 / 40

45 3 verschiedene Exogene Kontrastmittel historisch Kontrastmittel: hochparamagnetischer Stoff (Gadolinium-Diethyl-Pentaessigsäure) In Hirnarealen mit erhöhtem regionalen cerebralen Blutfluss (rcbf) Reduktion der T 2 -Zeit. Perfusionsbasierte fmrt arterielle Spinmarkierung: Invertierung der Spins innerhalb einer Schicht in den Arterien Dort, wo markierte Spins hinfließen (je nacht Stärke des rcbf) Reduktion der Gesamtmagnetisierung. BOLD-fMRT 15 / 40

46 Gliederung Motivation 1 Motivation 2 3 Ursachen des s Hämodynamische Antwortfunktion Echo-Planar-Imaging Typische Größen Experimente mit BOLD-fMRT Designplanung Datenanalyse 4 16 / 40

47 BOLD historisch Erstmals in den 90er Jahren: Verwendung des Oxiginierungsgrads des Blutes als körpereigenes Kontrastmittel zur Darstellung der neuronalen Aktivität. 17 / 40

48 BOLD historisch Erstmals in den 90er Jahren: Verwendung des Oxiginierungsgrads des Blutes als körpereigenes Kontrastmittel zur Darstellung der neuronalen Aktivität. Blood-Oxygen-Level-Dependency-Effect 17 / 40

49 aerober Metabolismus der Zellen Blut transportiert u.a. Glucose C 6 H 12 O 6 Sauerstoff O 2 18 / 40

50 aerober Metabolismus der Zellen Blut transportiert u.a. Glucose C 6 H 12 O 6 Sauerstoff O 2 Beide wesentlich für den aeroben Metabolismus der Zellen 18 / 40

51 aerober Metabolismus der Zellen Blut transportiert u.a. Glucose C 6 H 12 O 6 Sauerstoff O 2 Beide wesentlich für den aeroben Metabolismus der Zellen Erythrocyten: zu 90% aus Hämoglobinmolekülen (roter Farbstoff) 18 / 40

52 aerober Metabolismus der Zellen Blut transportiert u.a. Glucose C 6 H 12 O 6 Sauerstoff O 2 Beide wesentlich für den aeroben Metabolismus der Zellen Erythrocyten: zu 90% aus Hämoglobinmolekülen (roter Farbstoff) Eisen-(II)-Ion im Zentrum Eine freie Bindungsstelle für O 2 -Molekül 18 / 40

53 aerober Metabolismus der Zellen Blut transportiert u.a. Glucose C 6 H 12 O 6 Sauerstoff O 2 Beide wesentlich für den aeroben Metabolismus der Zellen Erythrocyten: zu 90% aus Hämoglobinmolekülen (roter Farbstoff) Eisen-(II)-Ion im Zentrum Eine freie Bindungsstelle für O 2 -Molekül [7],[5] Ohne Sauerstoff: Deoxyhämoglobin (apfe) a a Apoprotein mit Eisen-(II)-Ion = Häm 18 / 40

54 aerober Metabolismus der Zellen Blut transportiert u.a. Glucose C 6 H 12 O 6 Sauerstoff O 2 Beide wesentlich für den aeroben Metabolismus der Zellen Erythrocyten: zu 90% aus Hämoglobinmolekülen (roter Farbstoff) Eisen-(II)-Ion im Zentrum Eine freie Bindungsstelle für O 2 -Molekül [7],[5] Ohne Sauerstoff: Deoxyhämoglobin (apfe) a Mit Sauerstoff: Oxyhämoglobin (apfeo 2 ) a Apoprotein mit Eisen-(II)-Ion = Häm 18 / 40

55 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch 19 / 40

56 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch Überkompensation durch gesteigerten rcbf 19 / 40

57 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch Überkompensation durch gesteigerten rcbf Mehr apfeo 2 19 / 40

58 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch Überkompensation durch gesteigerten rcbf Mehr apfeo 2 Oxyhämoglobin apfeo 2 ist diamagnetisch χ apfeo2 < 0 schwächt äußeres B-Feld 19 / 40

59 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch Überkompensation durch gesteigerten rcbf Mehr apfeo 2 Oxyhämoglobin apfeo 2 ist diamagnetisch χ apfeo2 < 0 schwächt äußeres B-Feld Hirngewebe ist auch diamagnetisch. Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch χ apfe > 0 19 / 40

60 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch Überkompensation durch gesteigerten rcbf Mehr apfeo 2 Oxyhämoglobin apfeo 2 ist diamagnetisch χ apfeo2 < 0 schwächt äußeres B-Feld Hirngewebe ist auch diamagnetisch. Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch χ apfe > 0 Höhere apfeo 2 -Konzentration macht lokal das Gewebe diamagnetischer! 19 / 40

61 neuronale Aktivität: gesteigerter rcbf Hoher Glucose- und Sauerstoffverbrauch Überkompensation durch gesteigerten rcbf Mehr apfeo 2 Oxyhämoglobin apfeo 2 ist diamagnetisch χ apfeo2 < 0 schwächt äußeres B-Feld Hirngewebe ist auch diamagnetisch. Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch χ apfe > 0 Höhere apfeo 2 -Konzentration macht lokal das Gewebe diamagnetischer! vergrößert lokal die T2 -Relaxationszeit!!! 19 / 40

62 T2 -gewichtete MRT-Aufnahmen Verlängerung der T2 -Zeit ist in T2 -gewichteten Aufnahmen sichtbar zu machen. [8] 20 / 40

63 T2 -gewichtete MRT-Aufnahmen [8] Verlängerung der T2 -Zeit ist in T2 -gewichteten Aufnahmen sichtbar zu machen. Signalzunahme in neuronal aktiven Regionen maximal im Bereich von 3-5% (schwaches CNR a ) Signalzunahme nach Aktivierung der Hirnregion durch einen Stimulus zeitliche verzögert (4-6 Sekunden) a Contrast-to-Noise-Ratio 20 / 40

64 T2 -gewichtete MRT-Aufnahmen [8] Verlängerung der T2 -Zeit ist in T2 -gewichteten Aufnahmen sichtbar zu machen. Signalzunahme in neuronal aktiven Regionen maximal im Bereich von 3-5% (schwaches CNR a ) :-( Signalzunahme nach Aktivierung der Hirnregion durch einen Stimulus zeitliche verzögert (4-6 Sekunden) :-( a Contrast-to-Noise-Ratio 20 / 40

65 Hämodynamische Antwortfunktion Hemodynamic Response Function (HRF) 21 / 40

66 Gliederung Motivation 1 Motivation 2 3 Ursachen des s Hämodynamische Antwortfunktion Echo-Planar-Imaging Typische Größen Experimente mit BOLD-fMRT Designplanung Datenanalyse 4 22 / 40

67 Schnelle T2 -gewichtete Aufnahmen für fmrt Die Trägheit der Hämodynamischen Antwortfunktion macht Aufnahme schneller dynamischer Prozesse unmöglich. :-( ABER: mit geeigneten Experimenten sind sinnvolle fmrt-aufnahmen möglich! 23 / 40

68 Schnelle T2 -gewichtete Aufnahmen für fmrt Die Trägheit der Hämodynamischen Antwortfunktion macht Aufnahme schneller dynamischer Prozesse unmöglich. :-( ABER: mit geeigneten Experimenten sind sinnvolle fmrt-aufnahmen möglich! :-) geeignete Echo-Sequenz gesucht / 40

69 Schnelle T2 -gewichtete Aufnahmen für fmrt Die Trägheit der Hämodynamischen Antwortfunktion macht Aufnahme schneller dynamischer Prozesse unmöglich. :-( ABER: mit geeigneten Experimenten sind sinnvolle fmrt-aufnahmen möglich! :-) geeignete Echo-Sequenz gesucht... Echo-Sequenz muss sehr schnell den k-raum durchqueren 23 / 40

70 Schnelle T2 -gewichtete Aufnahmen für fmrt Die Trägheit der Hämodynamischen Antwortfunktion macht Aufnahme schneller dynamischer Prozesse unmöglich. :-( ABER: mit geeigneten Experimenten sind sinnvolle fmrt-aufnahmen möglich! :-) geeignete Echo-Sequenz gesucht... Echo-Sequenz muss sehr schnell den k-raum durchqueren Echo-Sequenz muss T2 -gewichtete Aufnahmen ermöglichen 23 / 40

71 Echo-Planar-Imaging Echo-Planar-Imaging (EPI) ließt mit einem einzigen anregenden HF-Puls den k-raum im Zick-Zack aus lässt sich als EPI-Modul im Anschluss an das Gradienten- oder Spin-Echo anschließen. 24 / 40

72 Echo-Planar-Imaging Echo-Planar-Imaging (EPI) ließt mit einem einzigen anregenden HF-Puls den k-raum im Zick-Zack aus lässt sich als EPI-Modul im Anschluss an das Gradienten- oder Spin-Echo anschließen. Wegen T2 -Gewichtung verwende GE-Sequenz. 24 / 40

73 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 25 / 40

74 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 25 / 40

75 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 2 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 25 / 40

76 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 2 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 3 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) etwas kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz gleichzeitigem T 2 -Zerfall 25 / 40

77 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 2 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 3 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) etwas kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz gleichzeitigem T 2 -Zerfall 4 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. negativ (von rechts nach links auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 25 / 40

78 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 2 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 3 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) etwas kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz gleichzeitigem T 2 -Zerfall 4 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. negativ (von rechts nach links auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 5 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) noch kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz fortwährendem T 2 -Zerfall 25 / 40

79 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 2 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 3 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) etwas kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz gleichzeitigem T 2 -Zerfall 4 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. negativ (von rechts nach links auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 5 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) noch kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz fortwährendem T 2 -Zerfall 6 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) 25 / 40

80 EPI-Sequenz Motivation Zunächst: Anregen mit HF-Feld um Ernst-Winkel α (oder 90 -Puls) und Schicht auswählen mit Schichtsselektionsgradient (anschließend: Refocussing-Pulse) 1 Phasenkodier-Gradient maximal negativ (nach unten auf k y -Achse) große Phasenvariation, kleine Vektorsumme kleines Signal Frequenzkodier-Gradient maximal negativ (nach links auf k x -Achse) 2 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 3 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) etwas kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz gleichzeitigem T 2 -Zerfall 4 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. negativ (von rechts nach links auf k x -Achse) Rephasieren bis Echomaximum, dann wieder Dephasieren 5 positiver Phasenkodier- Blip (eine Zeile nach oben im k-raum) noch kleinere Phasenvariation, größere Vektorsumme größeres Signal trotz fortwährendem T 2 -Zerfall 6 Umkehren des F.-Kodier-Gradienten nach max. positiv (von links nach rechts auf k x -Achse) / 40

81 Gesamtes EPI Motivation Die Echoamplitude wird zunehmen, bis zum Zentrum des k-raumes (bei k y = 0) Die Echozeit TE des EPI ist von der Anregung bis zum Echomaximum definiert Exemplarisch für eine Matrix von Pixel 2 : 26 / 40

82 Typische Größen beim EPI und der fmrt Aufnahme eines einzigen MR-Bildes in der Ebene in ms 27 / 40

83 Typische Größen beim EPI und der fmrt Aufnahme eines einzigen MR-Bildes in der Ebene in ms starke Gradienten müssen mit hohen Frequenzen bis max. 3 khz geschaltet werden 27 / 40

84 Typische Größen beim EPI und der fmrt Aufnahme eines einzigen MR-Bildes in der Ebene in ms starke Gradienten müssen mit hohen Frequenzen bis max. 3 khz geschaltet werden für die fmrt: Verzicht auf hohe örtliche Auflösung. 27 / 40

85 Typische Größen beim EPI und der fmrt Aufnahme eines einzigen MR-Bildes in der Ebene in ms starke Gradienten müssen mit hohen Frequenzen bis max. 3 khz geschaltet werden für die fmrt: Verzicht auf hohe örtliche Auflösung. Durchführung an klinischen Tomographen bei 1,5 bis 3 Tesla 27 / 40

86 Typische Größen beim EPI und der fmrt Aufnahme eines einzigen MR-Bildes in der Ebene in ms starke Gradienten müssen mit hohen Frequenzen bis max. 3 khz geschaltet werden für die fmrt: Verzicht auf hohe örtliche Auflösung. Durchführung an klinischen Tomographen bei 1,5 bis 3 Tesla Volumendatensätze eines Kopfes (typ. 48 Schichten mit typ. Matrixgrößen von oder Pixel 2 ) innerhalb von 3 bis 4 Sekunden! 27 / 40

87 Beispiel für eine 3D-fMRT Aufnahme [9] 3D-fMRT bei 1,5 Tesla (General Electric) nach linksseitigem Finger-Tapping-Experiment (beachte: Bei der Transversalebene oben rechts Blick von den Füßen in Richtung Kopf) 28 / 40

88 Gliederung Motivation 1 Motivation 2 3 Ursachen des s Hämodynamische Antwortfunktion Echo-Planar-Imaging Typische Größen Experimente mit BOLD-fMRT Designplanung Datenanalyse 4 29 / 40

89 Allgemeines zu n Ziel: Anfertigung von 3D-Karten über die Wahrscheinlichkeit für neuronale Aktivität 30 / 40

90 Allgemeines zu n Ziel: Anfertigung von 3D-Karten über die Wahrscheinlichkeit für neuronale Aktivität Aufnahme von mehreren Volumendatensätzen in zeitlicher Abfolge vor fmrt-experiment: Aufzeichnung einer hochaufgelösten anatomischen MRT-Aufnahme des Kopfes 30 / 40

91 Versuchs-Skizze am Beispiel: Finger-Tapping einfaches fmrt-experiment wie Finger-Tapping hat ideale Dauer von 5 ± 2 Minuten Definition Stimulus: Der Reiz, welcher der Versuchsperson während des Experiments die jeweilige Aufgabe mitteilt 31 / 40

92 Versuchs-Skizze am Beispiel: Finger-Tapping einfaches fmrt-experiment wie Finger-Tapping hat ideale Dauer von 5 ± 2 Minuten Aufnahme eines Volumendatensatzes in 3 bis 4 Sekunden etwa 60 Volumendatensätze in einfachem fmrt-experiment Definition Stimulus: Der Reiz, welcher der Versuchsperson während des Experiments die jeweilige Aufgabe mitteilt 31 / 40

93 Versuchs-Skizze am Beispiel: Finger-Tapping einfaches fmrt-experiment wie Finger-Tapping hat ideale Dauer von 5 ± 2 Minuten Aufnahme eines Volumendatensatzes in 3 bis 4 Sekunden etwa 60 Volumendatensätze in einfachem fmrt-experiment Beim Finger-Tapping Experiment 2 Aufgaben: 1 Bewege zwei Finger abwechselnd! (Finger-Tapping) 2 Ruhe! (Baseline) Definition Stimulus: Der Reiz, welcher der Versuchsperson während des Experiments die jeweilige Aufgabe mitteilt 31 / 40

94 Versuchs-Skizze am Beispiel: Finger-Tapping einfaches fmrt-experiment wie Finger-Tapping hat ideale Dauer von 5 ± 2 Minuten Aufnahme eines Volumendatensatzes in 3 bis 4 Sekunden etwa 60 Volumendatensätze in einfachem fmrt-experiment Beim Finger-Tapping Experiment 2 Aufgaben: 1 Bewege zwei Finger abwechselnd! (Finger-Tapping) 2 Ruhe! (Baseline) Die Baseline ist das Maß für keine neuronale Aktivität Wähle ein gut getimetes Stimulus-Paradigma! Definition Stimulus: Der Reiz, welcher der Versuchsperson während des Experiments die jeweilige Aufgabe mitteilt 31 / 40

95 Stimulus-Paradigma Der Wechsel von Aufgabe 1 und 2 sollte nicht zu schnell sein (für 3D-fMRT sind 60 Sekunden je Aufgabe gut) [3] 32 / 40

96 Stimulus-Paradigma Der Wechsel von Aufgabe 1 und 2 sollte nicht zu schnell sein (für 3D-fMRT sind 60 Sekunden je Aufgabe gut) Einfache 2D-fMRT-Studie: zu schnell: z.b. alle 4 Sekunden (kaum Signal wegen Trägheit der HRF) :-( zu langsam: z.b. alle 96 Sekunden (zu wenig Wiederholungen für signifikante Aussagen) :-( [3] 32 / 40

97 Stimulus-Paradigma Der Wechsel von Aufgabe 1 und 2 sollte nicht zu schnell sein (für 3D-fMRT sind 60 Sekunden je Aufgabe gut) Einfache 2D-fMRT-Studie: zu schnell: z.b. alle 4 Sekunden (kaum Signal wegen Trägheit der HRF) :-( zu langsam: z.b. alle 96 Sekunden (zu wenig Wiederholungen für signifikante Aussagen) :-( ideal: z.b. alle 16 Sekunden, entspr. 8 Bilder pro Aufgabe HRF oszilliert voll. Genügend Wiederholungen. :-) [3] Zeitreihe der HRF (rot) mit idealem Stimulus-Paradigma (grau/blau) [10 32 / 40

98 3D-Karte der Wahrscheinlichkeiten Bei einfachen n genügen die Daten einer Versuchsperson (Single-Subject-Experiment). Zur quantitativen Darstellung der neuronalen Aktivität wird jedes Voxel im Bild ausgewertet. Prüfe Korrelation zwischen Signal und Stimulus-Paradigma ( Haben die Signalschwankungen etwas mit dem Aufgabenwechsel zu tun? ) Führe für jedes Voxel den selben Hypothesentest mit den gesammelten Daten durch / 40

99 3D-Karte der Wahrscheinlichkeiten Bei einfachen n genügen die Daten einer Versuchsperson (Single-Subject-Experiment). Zur quantitativen Darstellung der neuronalen Aktivität wird jedes Voxel im Bild ausgewertet. Prüfe Korrelation zwischen Signal und Stimulus-Paradigma ( Haben die Signalschwankungen etwas mit dem Aufgabenwechsel zu tun? ) Führe für jedes Voxel den selben Hypothesentest mit den gesammelten Daten durch... Hypothesentest für ein Voxel Nullhypothese: In diesem Voxel gibt es keine neuronale Aktivität. Beim Aufgabenwechsel erhöht sich das MR-Signal nicht. 33 / 40

100 3D-Karte der Wahrscheinlichkeiten Bei einfachen n genügen die Daten einer Versuchsperson (Single-Subject-Experiment). Zur quantitativen Darstellung der neuronalen Aktivität wird jedes Voxel im Bild ausgewertet. Prüfe Korrelation zwischen Signal und Stimulus-Paradigma ( Haben die Signalschwankungen etwas mit dem Aufgabenwechsel zu tun? ) Führe für jedes Voxel den selben Hypothesentest mit den gesammelten Daten durch... Hypothesentest für ein Voxel Nullhypothese: In diesem Voxel gibt es keine neuronale Aktivität. Beim Aufgabenwechsel erhöht sich das MR-Signal nicht. Wahrscheinlichkeitskarte für keine neuronale Aktivität 33 / 40

101 3D-Karte der Wahrscheinlichkeiten Bei einfachen n genügen die Daten einer Versuchsperson (Single-Subject-Experiment). Zur quantitativen Darstellung der neuronalen Aktivität wird jedes Voxel im Bild ausgewertet. Prüfe Korrelation zwischen Signal und Stimulus-Paradigma ( Haben die Signalschwankungen etwas mit dem Aufgabenwechsel zu tun? ) Führe für jedes Voxel den selben Hypothesentest mit den gesammelten Daten durch... Hypothesentest für ein Voxel Nullhypothese: In diesem Voxel gibt es keine neuronale Aktivität. Beim Aufgabenwechsel erhöht sich das MR-Signal nicht. Wahrscheinlichkeitskarte für keine neuronale Aktivität Bei Unterschreiten einer festzulegenden Schwelle Trafo in eine Karte für neuronale Aktivität 33 / 40

102 Vielzahl von Artefakten Zugpferd T 2 -Gewichtung des EPI ist auch Schwachstelle, weil sehr sensibel für mikroskopische B-Feld-Inhomogenitäten an Gewebegrenzsschichten (z.b. Stirnhöhle) Folge sind starke geometrische Verzerrungen Chemical Shift beim EPI Bewegungsartefakte beim EPI / 40

103 Chemical Shift beim EPI Beispiel geringe Bandbreite in Phasenkodier-Richtung (30 Hz/Pixel) bei 1,5 T Verschiebung von Fett und Wasser um 8 Pixel = 2,5 cm bei Auflösung von 3mm/Pixel 35 / 40

104 Chemical Shift beim EPI Beispiel geringe Bandbreite in Phasenkodier-Richtung (30 Hz/Pixel) bei 1,5 T Verschiebung von Fett und Wasser um 8 Pixel = 2,5 cm bei Auflösung von 3mm/Pixel Bei 3 T Verschiebung von Fett und Wasser um 5cm! 35 / 40

105 Chemical Shift beim EPI Beispiel geringe Bandbreite in Phasenkodier-Richtung (30 Hz/Pixel) bei 1,5 T Verschiebung von Fett und Wasser um 8 Pixel = 2,5 cm bei Auflösung von 3mm/Pixel Bei 3 T Verschiebung von Fett und Wasser um 5cm! Ausweg: Fettunterdrückung 35 / 40

106 Chemical Shift beim EPI Beispiel geringe Bandbreite in Phasenkodier-Richtung (30 Hz/Pixel) bei 1,5 T Verschiebung von Fett und Wasser um 8 Pixel = 2,5 cm bei Auflösung von 3mm/Pixel Bei 3 T Verschiebung von Fett und Wasser um 5cm! Ausweg: Fettunterdrückung chemical shift saturation method 90 -HF-Puls mit exakter Fett-Frequenz Wenn Fett-Spins dephasiert sind EPI 35 / 40

107 Chemical Shift beim EPI Beispiel geringe Bandbreite in Phasenkodier-Richtung (30 Hz/Pixel) bei 1,5 T Verschiebung von Fett und Wasser um 8 Pixel = 2,5 cm bei Auflösung von 3mm/Pixel Bei 3 T Verschiebung von Fett und Wasser um 5cm! Ausweg: Fettunterdrückung chemical shift saturation method 90 -HF-Puls mit exakter Fett-Frequenz Wenn Fett-Spins dephasiert sind EPI short TI inversion recovery method (STIR) 180 -HF-Puls auf alle Spins Bei Nulldurchgang der Fett-Spins (M z,fett = 0 M z,wasser ) EPI 35 / 40

108 Korrektur von Bewegungsartefakten Verschiebung oder Drehung von Aufnahme zu Aufnahme: sytematische Störung der Auswertung Erhebliche Signalverbesserung durch Unterdrückung/Korrektur von Bewegungen andernfalls: häufig Fehler 1./2. Art des Hypothesentests (falsche Aktivität/Aktivität geht verloren) 36 / 40

109 Korrekturverfahren für Bewegungsartefakte Mit bildbasierter Detektion sind minimale Verschiebungen von 10 µm detektierbar und korrigierbar (obwohl Pixel-Kantenlänge viel größer). 37 / 40

110 Korrekturverfahren für Bewegungsartefakte Mit bildbasierter Detektion sind minimale Verschiebungen von 10 µm detektierbar und korrigierbar (obwohl Pixel-Kantenlänge viel größer). 1 Mit der sog. Sinc-Interpolation kann man die Verschiebung aus dem Bild herausrechnen (sehr aufwendig) 37 / 40

111 Korrekturverfahren für Bewegungsartefakte Mit bildbasierter Detektion sind minimale Verschiebungen von 10 µm detektierbar und korrigierbar (obwohl Pixel-Kantenlänge viel größer). 1 Mit der sog. Sinc-Interpolation kann man die Verschiebung aus dem Bild herausrechnen (sehr aufwendig) 2 Mit dem sog. k-raum-interpolationsverfahren rechnet man in Echtzeit die Verschiebung mittels Fourier-Shift-Theorem heraus mit deutlich besseren Ergebnissen (aktuelles Forschungsgebiet) (Ortsraumverschiebung = Phasendrehung im k-raum) 37 / 40

112 aktuelle Forschungsgebiete und Einsatz der fmrt Entwicklung im Bereich der fmrt geht zur Echtzeit-fMRT (z.b. Thesen et al., o. J.)[3] Einsatz z.b. in Studien über Emotionen (Auswirkung neutraler vs. emotionaler Gesichtsausdrücke insbes. auf die Amygdala 1 ) (z.b. Baert et al., 1999 )[1] Verknüpfung mit den zeitlich hochauflösenden Verfahren EEG und/oder MEG (z.b. website Universität Münster)[2] 1 Amygdala ist an der Entstehung der Angst wesentlich beteiligt 38 / 40

113 Anhang Literatur Literatur I A.L. Baert, K. Sartor, J.E. Youker Functional MRI. Springer, Unbekannt /fo05ax.htm S. Thesen, N. Henselmans, E. Müller, L. R. Schad, o.j. Funktionelle Magnetresonanztomographie in Echtzeit Shah Präsentation Grundlagen der MR-Bildgebung, Kap. 2 User:Lennert B 39 / 40

114 Anhang Literatur Literatur II P. Kreisler Präsentation Magnetresonanz in der medizinischen Diagnostik Unbekannt Molecule of the Month by Shah Introduction to fmri Physics Martin Witte Unbekannt Präsentation fmri Basic Experimental Design: The Block Design 40 / 40