MRT-basierte Perfusionsbildgebung in der Klinik und Forschung

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1 MRT-basierte Perfusionsbildgebung in der Klinik und Forschung Computer Assisted Clinical Medicine Medical Faculty Mannheim Heidelberg University Theodor-Kutzer-Ufer Inhalt Was ist Perfusion? Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) MRI Dynamic Contrast-Enhanced (DCE) MRI Arterial Spin Labeling (ASL) Klinische Medizinphysik I Slide 2 I 3/14/2018 1

2 Inhalt Was ist Perfusion? Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) MRI Dynamic Contrast-Enhanced (DCE) MRI Arterial Spin Labeling (ASL) Klinische Medizinphysik I Slide 3 I 3/14/2018 Was ist Perfusion? Perfusion = Blutzirkulation Blutfluss Blutvolumen Transitzeit Klinische Medizinphysik I Slide 4 I 3/14/2018 2

3 Was ist Perfusion? Parameter, am Beispiel des Gehirns Zerebraler Blutfluss (Cerebral Blood Flow, CBF) Gemessen in ml/100g/min Kopiert von Reishofer et al., MRM, 2011 Klinische Medizinphysik I Slide 5 I 3/14/2018 Was ist Perfusion? Parameter, am Beispiel des Gehirns Zerebraler Blutfluss (Cerebral Blood Flow, CBF) Gemessen in ml/100g/min Zerebrales Blutvolumen (Cerebral Blood Volume, CBV) Gemessen in ml/100g Kopiert von Reishofer et al., MRM, 2011 Klinische Medizinphysik I Slide 6 I 3/14/2018 3

4 Was ist Perfusion? Parameter, am Beispiel des Gehirns Zerebraler Blutfluss (Cerebral Blood Flow, CBF) Gemessen in ml/100g/min Zerebrales Blutvolumen (Cerebral Blood Volume, CBV) Gemessen in ml/100g Mittlere Passagezeit (Mean Transit Time, MTT) MTT = CBV/CBF Kopiert von Reishofer et al., MRM, 2011 Klinische Medizinphysik I Slide 7 I 3/14/2018 Was ist Perfusion? Messung von Perfusion ist in unterschiedlichen Organen möglich und medizinisch interessant. Typische Werte für den Blutfluss in verschiedenen Organen: Organ BF (ml/100g/min) Gehirn Herz 80 Niere 400 Leber 100 Muskel 8 Haut 3 Determinants of Blood Flow and Organ Perfusion E. Calzia, Z. Iványi, and P. Radermacher Klinische Medizinphysik I Slide 8 I 3/14/2018 4

5 Was ist Perfusion? Was sieht man in der normalen MR Bildgebung? Vorteile der Perfusion? Besonders interessant für welche Patienten? Wie kann man die Parameter messen? Klinische Medizinphysik I Slide 9 I 3/14/2018 Perfusionsbildgebung (DCE/DSC) Dynamisch T2/T2* gewichtet Bolus Injektion Dynamisch T1 gewichtet S DSC (t) S DCE (t) DSC Signal Analyse C(t) DCE Signal Analyse Tracer Kinetische Analyse Perfusions Parameter Klinische Medizinphysik I Slide 10 I 3/14/2018 5

6 Perfusionsbildgebung (DCE/DSC) Dynamisch T2/T2* gewichtet Bolus Injektion Dynamisch T1 gewichtet S DSC (t) S DCE (t) DSC Signal Analyse C(t) DCE Signal Analyse Tracer Kinetische Analyse Perfusions Parameter Klinische Medizinphysik I Slide 11 I 3/14/2018 Perfusionsbildgebung (DCE/DSC) Quantifizierung Annahme: Linearer Zusammenhang zwischen Kontrastmittelkonzentration und Signalverlust Hirngefäße als zufällig orientierte, paramagnetische Zylinder Simulation des Kontrastmitteleinflusses auf das MRT Signal CBV? CBF? MTT? Klinische Medizinphysik I Slide 12 I 3/14/2018 6

7 Perfusionsbildgebung (DCE/DSC) Arterial Input Function a(t) Residue Function R(t) Kopiert von Calamante, Prog Nucl Magn Reson Spectrosc, 2013 Konzentrationskurve einer zuführenden Arterie (ACA, MCA, ) Muss manuell gesucht werden Merkmale: flache Baseline, scharfe und hohe Flanke Je näher am Zielvolumen, desto besser Relativer Anteil des zurückgebliebenen Kontrastmittels 0 1und lim 0 Muss rekonstruiert werden oder anhand eines Modells simuliert werden Klinische Medizinphysik I Slide 13 I 3/14/2018 Perfusionsbildgebung (DCE/DSC) Blutvolumen Blutfluss Transitzeit d d d d / Klinische Medizinphysik I Slide 14 I 3/14/2018 7

8 Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) MRI Björnerud & Emblem, Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2010) 30, Klinische Medizinphysik I Slide 15 I 3/14/2018 Dynamic Contrast-Enhanced (DCE) MRI T2w Bild mip Blutfluss Blutvolumen Klinische Medizinphysik I Slide 16 I 3/14/2018 8

9 Perfusionsbildgebung (DSC/DCE) Discussion Vorteile von DSC MRI? Besonders interessant für welche Patienten und warum? Welche Nachteile? Vorteile von DCE MRI? Besonders interessant für welche Patienten und warum? Welche Nachteile? Klinische Medizinphysik I Slide 17 I 3/14/2018 Arterial Spin Labeling (ASL) Idee: Arterielles Blut als endogenes Kontrastmittel Nicht invasiv! Einfließendes Blut muss markiert werden (Tag): Inversion Differenz aus Tag und normaler Aufnahme (Control) ist Maß für Blutfluss Probleme: Sehr wenig Signal (~ 1%) Bewegungsanfällig Quantifizierung hängt von vielen Parametern ab Klinische Medizinphysik I Slide 18 I 3/14/2018 9

10 Arterial Spin Labeling (ASL) Kopiert von Petersen et al., Br J Radiol, 2006 Klinische Medizinphysik I Slide 19 I 3/14/2018 Arterial Spin Labeling (ASL) Mehrere Tag Möglichkeiten Zeitlich kurz, räumlich ausgedehnt: Pulsed ASL (PASL) Zeitlich ausgedehnt, räumlich klein: Continous ASL (CASL) Klinische Medizinphysik I Slide 20 I 3/14/

11 Arterial Spin Labeling (ASL) Quantifizierungsbeispiel Gehirn [Alsop et al., MRM, 2015] Pseudo CASL (pcasl)! " #$%&'$()" (*+,( -./0/1 2,+($$ ,+($$4 " 8 9)- :/0/1 2,+($$4 ; 0.9 ml/g Blut-Hirn Partitionskoeffizient PLD Einflusszeit des Blutes (Post Labeling Delay) LD Labeldauer (Label Duration) 9,BCDDE 1650 ms Longitudinale Relaxation von 3T I 0.86 Labeleffizienz Protondichte gewichtetes Referenzbild Klinische Medizinphysik I Slide 21 I 3/14/2018 Arterial Spin Labeling (ASL) Quantifizierungsbeispiel Gehirn [Alsop et al., MRM, 2015] Pseudo CASL (pcasl)! " #$%&'$()" (*+,( -./0/1 2,+($$ ,+($$4 " 8 9)- :/0/1 2,+($$4 ; 0.9 ml/g Blut-Hirn Partitionskoeffizient PLD Einflusszeit des Blutes (Post Labeling Delay) LD Labeldauer (Label Duration) 9,BCDDE 1650 ms Longitudinale Relaxation von 3T I 0.86 Labeleffizienz Protondichte gewichtetes Referenzbild CBF in ml/100g/min Klinische Medizinphysik I Slide 22 I 3/14/

12 Arterial Spin Labeling Hauptparameter von ASL? Besonders interessant für welche Patienten und warum? Welche Nachteile? CBF in ml/100g/min Klinische Medizinphysik I Slide 23 I 3/14/2018 Das war s.. Klinische Medizinphysik I Slide 24 I 3/14/