Grundlagen funktionelle MRT (fmrt)

Grundlagen funktionelle MRT (fmrt) Martin Lotze, Jörg Pfannmöller Funktionelle Bildgebung Diagnostische Radiologie und Neuroradiologie Universität Greifswald

Aufbau eines MRT-Scanners

Technologische Realisierung Tierscanner (4T) Gradientenspule 4T Magnet RF Spule Gradientenspule (innen) Kopfspule Oberflächenspule Quelle: Jorge Jovicich

Grundlagen MRT

1. Äußeres Magnetfeld Wird ein äußeres Magnetfeld eingeschaltet, richten sich die Spins darin aus. Längsmagnetisierung M Z = (! parallelen Spins )_ (! antiparallele Spins ) Folie von Antje Kickhefel

2. HF-Puls / Radiowellen spezieller Radiofrequenz-Puls auf die Protonen eingestrahlt Rotationssystem des Spins Die Längsmagnetisierung kippt immer mehr aus der Z-Richtung heraus. 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

Präzession von Kreiseln und Spins Keine Gravitation Schwache Gravitation Protonen besitzen einen Eigendrehimpuls SPIN Analogie: Proton im Magnetfeld Keisel im Gravitationsfeld Larmorgleichung: f L =γb f L Larmorfrequenz γ gyromagnetisches Verhältnis B Magnetfeld Starke Gravitation f L = 42.56MHz Tesla 3Tesla=127.68MHz Folie von Antje Kickhefel

Relaxation Wird der HF-Puls ausgeschaltet, kommt es zur Relaxation: T1-Relaxation, welche durch die Spin-Gitter-Wechsel- Wirkung entsteht. T2-Relaxation, welche durch Spin - Spin -Wechselwirkung Entsteht. gemessen wird jedoch oft T2*, da zusätzlich Inhomogenitäten des äußeren Magnetfeldes die Relaxationszeit verändern T1- Relaxation T2- Relaxation Folie von Antje Kickhefel

3. Das MR-Signal Magnetischer Summenvektor dreht in XY-Ebene ( M XY ) (transversale Magnetisierung) M XY wirkt wie ein elektrischer Generator und induziert in der Empfangsspule eine Wechselspannung, deren Frequenz gleich der Lamorfrequenz ist. MR-Signal Folie von Antje Kickhefel

Bildkontraste Die T1- und T2-Zeiten sind charakteristisch für unterschiedliche Gewebe, wodurch Bildkontraste entstehen. (T1) (T2) (cerebrospinal fluid) fat has high signal bright fat has low signal dark CSF has low signal dark CSF has high signal bright fmri4newbies.com T1-WEIGHTED ANATOMICAL IMAGE T2-WEIGHTED ANATOMICAL IMAGE

Repetitionszeit (TR) Die Zeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Anregungen derselben Schicht verstreicht, nennt man Repetitionszeit. Sie beeinflusst den T1-Kontrast entscheidend. Um so länger TR, um so mehr kippen die angeregten Spins in die Z-Richtung zurück. Kurze Repetitionszeit Lange Repetitionszeit Gewebe mit kurzer T1-Zeit relaxieren rasch und geben nach erneuter Anregung viel Signal. Gewebe mit langer T1-Zeit können bei erneuter Anregung nur wenig Signal beitragen, da sie noch nicht vollständig relaxiert sind. Alle Gewebe, auch jene mit langer T1-Zeit, haben genügend Zeit zur Relaxation und geben ähnliche Signale. Folie von Antje Kickhefel

Zusammenhang von TR und T1 Kurzes TR Langes TR starke T1-Gewichtung geringe T1-Gewichtung Gewebe mit kurzem T1 erscheinen in T1- gewichteten Bildern hell. Gewebe mit langer T1 erscheinen dunkel. (wenig Signal / z-magnetisierung) Folie von Antje Kickhefel

Echozeit (TE) Die Echozeit, ist diejenige Zeitspanne, die man nach der Anregung bis zur Messung des MR-Signals verstreichen lässt. Sie beeinflusst den T2-Kontrast entscheidend. Kurze Echozeit Lange Echozeit Signalunterschiede noch klein, da die Relaxation erst begonnen hat. Deutliche Signalunterschiede Folie von Antje Kickhefel

Zusammenhang von TE und T2 Kurzes TE Langes TE geringe T2-Gewichtung starke T2-Gewichtung Gewebe mit kurzem T2 erscheinen in T2-gewichteten Bildern dunkel. Gewebe mit langer T2 erscheinen hell. Folie von Antje Kickhefel

Übersicht [ms] Folie von Antje Kickhefel

TE=20ms TE=40ms TE=60ms TE=80ms TR= 250ms TR= 500ms TR= 750ms Einfluss von TR/TE auf Spin-Echo- Sequenz TR= 1000ms TR= 2000ms

Ortskodierung

Schichtwahl Hätte 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 f rf = f L = γb Folie von Antje Kickhefel

Ortskodierung x-richtung Gradient in X-Richtung Phasencodierung Bewirkt, dass Lamorfrequenz oben im Tomographen etwas Höher ist als unten. Spins oben präzedieren schneller und haben daher eine Phasenverschiebung gegenüber den unteren Spins. Gradient in X-Richtung Folie von Antje Kickhefel

Ortskodierung y-richtung Gradient in Y-Richtung Frequenzcodierung Bewirkt, dass Lamorfrequenz von rechts nach links zunimmt. Y Wird MR-Signal gemessen, erhält man ein Frequenzspektrum. Jede Spalte kann durch ihre Frequenz identifiziert werden. Folie von Antje Kickhefel

EPI Sequenz

Zeitskalen im Vergleich

Fortschritte in der Sequenzentwicklung

Durchbruch 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.

K-Raum Trajektorie Konventionell (spin warp) EPI

Schnell (gepulstes) Echo Planar Imaging (EPI) 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

Signal to Noise Ratio (SNR) ist abhängig von 1. Transversale Magnetisierung (pulse sequence and contrast) => EPI günstig 2. Zeit der Bildgebung (or more precisely, time spent receiving the signal) => extrem kurz 3. Bandbreite (signal sampling rate) => read out hoch bei EPI (300 stat 32 khz), phase niedrig 4. Feldstärke (unabhängig von Bildgebung) 5. RF coil loading (unabhängig von Bildgebung) 6. Voxelgröße

Artefakte bei EPIs 1. chemical shift: Fett-Wasser bei 3T um 5 pixel verschoben => Korrektur notwendig wie Fettsättigung 2. Distorsionen: Probleme bei Koregistrierung fmri mit konventionellen Bildern Detailierte Diskussion Julia Wendt. 3. Ghosting aufgrund von Bewegung. Tritt in Phasenkodierrichtung auf.

T2* gewichtete Bilder sind sehr sensitiv für lokale Feldinhomogenitäten die besonders zwischen Luft und Gewebe auftreten sinuses ear canals Obwohl dies auf den ersten Blick nicht besonders brauchbar erscheint, gründet sich hierrauf der Effekt der T2* Bildgebung für die Darstellung von Hirnfunktionen. Based on Robert Cox s web slides Detailierte Diskussion Glad Mihai.

Blood Oxygenation Level Dependent Effect lokale Feldinhomogenitäten keine lokalen Feldinhomogenitäten schwaches Signal starkes Signal

Der BOLD-Effekt RUHE AKTIVITÄT schwaches Signal starkes Signal

Erste fmrt's Flackerndes Schachbrett OFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s) Source: Kwong et al., 1992

Interpretation

Physiologie des BOLD-Signals Source: Arthurs & Boniface, 2002, Trends in Neurosciences

Korrelation von BOLD, MUA und LFP 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 Source: Logothetis et al., 2001, Nature Logothetis et al. (2001) combined BOLD fmri and electrophysiological recordings found that BOLD activity is more closely related to LFPs than MUA

Wo ist der Hauptmetabolismus der Energie? In den Synapsen und nicht im Zellkörper Glutamate Schwartz et al. 1979 Courtesy: Tobias Sommer

Korrelation von BOLD und Energieverbrauch Der Bedarf an Sauerstoff allein steuert nicht den BOLD-Effekt fmri signal strongly related to inputprocessing Input processing most energy-consuming task for neurons Glucose fuels neurons

Action Potentials vs. Synaptic Activity (Heeger et al., 2000) (Mukamel et al., 2005) BOLD-Signal strongly correlated with both action potentials and synaptic activity Courtesy: Tobias Sommer

Negatives BOLD-Signal? Lauritzen, 2005 Raichle et al, 1998 -> Synaptische Hemmung kann zu einem negativen BOLD-Signal führen