Modern MRI módszerek az idegsebészetben

Modern MRI módszerek az idegsebészetben 1

Modern mágneses rezonanciás módszerek alkalmazása a klinikumban Általános áttekintés, MRI alapjai Funkcionális MRI alapjai Funkcionális MRI idegsebészeti alkalmazása DTI, fmri kombináció, neuronavigáció Proton spektroszkópia klinikai alkalmazása Vér-agy-gát funkció mérése MRI-vel 2

MRI uses hydrogen protons for imaging The human body is composed predominantly of 12 C, 16 O, 1 H, és 14 N Among these, hydrogen atom is the only one visible by MRI Hydrogen occurs in the highest degree mostly in water (H 2 O) 99% of MRI imaging is proton imaging 3

Single proton The proton contains positive charge. The spinning positive charge produces electromagnetic field. + + + So, the proton can be regarded as a tiny spinning magnet. 4

Ratio of paralel vs. antiparalel alignement is 100 006/100 000 per Tesla 6

The protons precess at a charateristic frequency in a static magnetic field (Larmor frequency) ω = γ/2π Β ο ω = Larmor frequency γ = magnetic susceptibility B o = static magnetic field 7

Larmor frequency at 1.5 Tesla 8

Tacoma Narrows bridge Resonance frequency 9

Protons are excited with RF Lower energy level (Paralel) Radiofrequency pulse = energy ω = Larmor frekvencia Higher energy level (Antiparalel) 10

After excitation protons return to steady state (equilibrium) T1 (s) T2 (ms) RF emitted by the excited proton system can be detected (Antenna) 11

MRI relaxation times T1 relaxation (sec) How fast do protons reach equilibrium after excitation (paralel vs. antiparalel) T2 relaxation (msec) How fast do the RF emitted by the proton system decay after excitation T2* relaxation T2 relaxation speeded up by local magnetic field gradient T2* relaxation Functional MRI 12

After excitation protons return to steady state (equilibrium) T1 (s) T2 (ms) RF emitted by the excited proton system can be detected (Antenna) 13

Imaging Radiofrequency pulse emitted by the sample protons are decoded spatially 14

Imaging Fourier transform of RF waves Fourier transzform 15

Vascular response to activation neuron capillary HbO HbO 2 HbO HbO HbO dhb dhb 2 2 HbO 2 HbO 2 2 2 dhb HbO dhb HbO 2 2 HbO 2 HbO dhb 2 HbO HbO HbO dhb HbO dhb 2 2 HbO 2 2 2 HbO HbO HbO HbO dhb dhb 2 2 HbO HbO 2 2 2 HbO 2 2 HbO HbO HbO 2 2 2 O 2 metabolism Blood flow HbO 2 = oxyhemoglobin dhb = deoxyhemoglobin [dhb] Blood volume 17

BOLD-signal origin Blood flow Neuron activation Metabolism [dhb] BOLD signal Blood volume Measuring neuronal activity through haemodynamic respons (indirect detection!!) Deoxyhaemoglobin (dhb) paramagnetic BOLD-signal: T2* change (dhb) in the active brain region 18

BOLD vs. Echo time 1 5% change BOLD signal changes only 1-5% Low signal to noise ratio Repetitive measurements (5-10) Alternating rest and active conditions 19

Repetitive FMRI experiment Stimulus pattern off on off on off on off on off BOLD-signal change idı The examined subject should perform a task or the sensory system is stimulated (on) Alternating rest condition (off) Images are obtained through the experiment in every 1.5-3 sec Image analysis tries to find those voxels of which BOLD signal change follow stimulus pattern 20

Activation map and BOLD signal change Signal Intensity Off On Off On Off On Off On Scan Number 21

FMRI experiment: analysis Aktív T2*-weighted signal Passzív Model haemodynamic response (HRF) 22

Funkcionális MRI klinikai alkalmazása Wada-teszt kiváltása, temporalis epilepsziában dominancia vizsgálata memória vesztés kockázatának céljából Elokvens agyi területekhez (Broca, Wernicke, sensomotoros cortex etc.) közel elhelyezkedı tumorok (idegsebészeti mőtétek tervezése) Stroke-ban agyi reorganizációhoz szükséges idı becslése (nagyobb ipsilateralis motoros aktiváció, nagyobb esély a javulásra) Sclerosis multiplexben betegség stádiumok objektív kimutatása (primér progresszív SM-ben nincs reorganizáció) 23

Funkcionális MRI klinikai alkalmazása - Paradigmák Ujjmozgatás (aktív/passzív) => szenzomotoros cortex Szógenerálás => Broca area Szövegértés/olvasás => Wernicke area Villogó sakktábla => vizuális cortex Hometown walking teszt => hippocampus/vizuális memória 24

Limitations of Functional MRI Expensive (scanner 300.000.000 HUF, fmri examination 80.000 HUF) Time consuming Can be extremely loud (65-115dB) Patient isolation (claustrophoby, patient monitoring) Patients with pacemaker or with special implants can not be examined Indirect detection of brain activity Low temporal (1.5-3s) and spatial resolution (3x3x3mm 3 ) 25

fmri: 1T vs. 3T Comparison: signal alteration Schwarcz et al. Eur Radiol. 2008 number of activated voxels: one-tailed, paired t-test (p < 0.05) 26

FMRI vizsgálat Elınyei fmri SPECT/PET Kontrasztanyag Vizsgálat ideje nem szüks kséges szüks kséges 5-15 perc 30 perc Térbeli felbontóképess pesség miliméteres centiméteres teres Hozzáférhet rhetıség Ár megyénk nkéntnt többtízezer Ft 3-5/ország többszázezer zezer Ft 27

Word generation Speech areas 28

Speech areas Story listening 29

Hometown walking test (hippocampus) 30

Memória vizsgálat (Hometown walking) 31

Speech areas: Word generation at 3T 32

Fájdalom fmri 33

Visual fmri 34

Sugar (sweet) Taste fmri Kinine (bitter) 35

Sensomotor cortex Central Dysgenesis (right side) Passive finger movement (left hand) Passive finger movement (right hand) 36

3D fmri-anatomy 37

19 éves beteg Betegség történet 11 éve epilepsziás Klónusos rohamok a jobb arcfélen Epilepsia gyakorisága: 30-500/nap Diagnosztikus eljárások (EEG, SPECT, PET) Bal o. frontalisan és temporalisan ictalis és interictalis rendellenességek Terápia Gyógyszerekre rezisztens Korábbi sebészeti beavatkozás a bal frontalis és parietalis lebenyben, 2001 and 2002 (eredmény nélkül) 38

Ictal FMRI: Epilepsy - LagMap The partial seizure (face myoclonus) begins: : 3m 37,5 s (Pacemaker area) 39

Visualization: Curves with their rising times (m: minute, s: second) red line: clinical seizure (3m 37,5s - 7m 42,5s) 40

Iktális FMRI: Epileszia - Mozi 10 x es sebesség (1 kép (2.5 s) = 0.25 s) 41

Sensomotor cortex Passive finger movements 43

Ujjmozgatás/Metastasis 44

Sensomotor cortex Passive finger movements 45

Szövegértés-Hallás/Low grade glioma 46

Szövegértés-Olvasás/Low grade glioma 47

Szógenerálás/AVM 48

Szógenerálás/Low grade glioma 49

Reorganization of Broca area 50

Wernicke 51

Diffusion Tensor Imaging 53

Diffusion Tensor Imaging B0 Dir 01 Dir 02 Dir 03 54

Mőtét elıtti kivizsgálás 56

fmri és diffúziós tenzor képalkotás fúziója neuronavigációhoz 57

Mőtét utáni kontroll 58

Funkcionális MRI a Wernicke-központ megjelenítésére Low grade glioma a bal temporalis lebenyben 59

Fusion of fmri and DTI Data in 3D 61

Case Report Middle aged woman suffered severe accident: - falling from high altitude combined acceleration-deceleration and impact mechanism - CT showed fronto-parietal impressional fracture, bilateral fronto-basal and left convexity contusion - after 2 months still comatose,, no spontaneous movement - SomatoSensoryEvokedPoentials shown severe brain stem damage with no peripheral response to motor cortex stimulation - on T2 images severe subcortical and basal ganglia damage 63

Functional MRI Passive finger movement on both hands: Only the right somatosensory cortex is activated 64

cranio-caudal direction medio-lateral direction sagittal direction Results-DTI 65

Results-DTI Healthy TBI Jelmenetek: 7 és 5 aktív szakasz, Kitérés az aktiv szakaszok alatt 66

Ujjmozgatás 68

Szövegértés/hallás 69

Funkcionális MRI jövıbeni alkalmazása Fájdalom szindrómákban vagy pszichiátriai kórképekben az agyi aktivációs mintázatok elkülöníthetik egy adott terápiára responder és non-responder csoportot. Epilepsziában interictalis fmri-vel kóros agyi területek feltérképezése, esetleg EEG kiváltása a jó térbeli felbontás miatt Neuromarketing: lehetséges hogy mérhetı hogy egy termék tetszik vagy nem tetszik a fogyasztónak (pozitív érzet aktivációs mintázata, limbikus rendszer) 70

Összefoglalás Klinkai fmri alkalmazása Pécsen Epilepszia: beszédlateralizáció, memória vizsgálata Elokvens agyi területek kimutatása tumorhoz/epilepsziás góchoz képest fmri-dti fúzió nagy felbontású anatómiai képekhez: mőtét elıtti tervezés/intraoperatív navigáció 71

Proton (H 1 )MR Spektroszkópia Nem csak a víz tartalmaz protonokat Molekulák -CH 2 -CH 3 Kémiai eltolódás: A molekula kémiai szerkezetének megfelelıen leárnyékolódnak a protonok ezért más frekvencián rezonálnak. A rezonancia frekvencia alapján pontosan azonosíthatóak. 73

The protons precess at a charateristic frequency in a static magnetic field (Larmor frequency) ω = γ/2π Β ο ω = Larmor frequency γ = magnetic susceptibility B o = static magnetic field 74

Kémiai eltolódás víz proton, lipid proton Víz proton Lipid proton 75

Klinikai rutinban Proton spektroszkópiával mérhetı anyagok NAA -N-acetyl aszpartát- neuronok Cr - Creatinin-anyagcsere Cho -Cholin-membrán turnover Lac - Laktát-anaerob körülmények Ins - Myo-inositol- glia specifikus Lip-Lipidek-Makromolekulák(CH3-CH2) Glu,Gln,Glx Glutamin-Glutamát- excitátoros aminosav Aminosavak-szukcinát-leucin-alanin(tályogok) (glicin,taurin,scyllo inositol, glucose,citrát) 76

MRS segíthet: KIR daganatos elváltozásai Ischaemiás laesiok SM Leukodisztrofiák Epilepszia Alzheimer Betegség Abscessusok Prosztata dagantok 77

Normál agyi spektrum Fehérállomány Szürkeállomány 78

STEAM MRS szekvenciák PRESS (STimulated Echo Acquisition Mode) (Point RESolved Spectroscopy) Voxelkiválasztás: 3db 90 fokos pulzus 1db 90 és 2db 180 fokos pulzus Azonos paraméterek mellett mért jelmennyiség: fele a PRESS-nek duplája a STEAM-nek Mérhetı legrövidebb echoidı: 20ms 30ms Alapvetıen a PRESS szekvencia ajánlott a STEAM-et csak olyan esetekben használjuk, ha olyan metabolitokat keresünk amik csak rövid echoidın látszanal jól 79

Átlagolás szerepe 2 Vízjel 10.000x akkora mint a metabolitok jele 1.75 (a mért jel a protonok számával arányos) 1.5 1.25 Vizet el kell nyomni hogy mérhetıvé váljanak a metabolitok 1 0.75 0.5 0.25 Alacsony metabolit jel miatt zajos a spektrum Átlagolni kell 2 4 6 8 10 80

Laktát echoidı függése (SVS Single- Voxel- Spectroscopy) 30ms 144ms glioma 288ms 81

Multivoxel technologia 82

Meningeoma 83

Ép Középsı rész Széli rész 84

Laktát és Cholin/Creatinin metabolit térképek 85

Quantitative measurement of rcbv and K t of BBB using DSC MRI at low field (1T) in brain tumour Attila Schwarcz 1,2, Tibor Auer 1, Mihály Aradi 1, Tibor Csendes 3, Attila Kozma 3, Ferenc Kövér 2, Tamás Dóczi 1,4 1 University of Pecs,, Department of Neurosurgery, Pecs,, Hungary 2 Pécs Diagnostic Centre, Pecs,, Hungary 3 University of Szeged,, Faculty of Science and Informatics, Szeged,, Hungary 4 Hungarian Academy of Sciences, Clinical Neurscience Research Group, Pécs,, Hungary 87

BBB-opening pathologies: stroke, tumor, multiple sclerosis, traumatic brain injury, bacterial meningitis entry of blood proteins -> edema formation -> neuronal damage 88

BBB-opening Contrast-enchanced MRI T1W image: signal increase T2* weighted image: signal decrease Signal increase/decrease over time may characterize BBB 89

Method Patient: 45 year-old metastatic brain tumour MR-acquisition at 1T 3D FLASH (T2* weighting) TR/TE/FA/BW = 1000ms/80ms/30 /80ms/30º/750Hz/750Hz Voxel-size = 3mm*3mm 3mm*3mm Number of slices = 6 Series-time = 120s At the 20th measurement: iv. 0.1mmol/bwkg of gadolinium (Magnevist( Magnevist) 90

S=S 0 exp(-cr 2 *TE) Analysis I. S: actual signal intensity S 0 : signal intesity at t=0 r 2 *: 1/T2* TE: echo time C: tracer concentration C=ln(S/S 0 ) in arbitrary unit containing r2*te Concentration changes of contrast agent over time may characterize blood-brain-barrier quantitatively. 91

V e dc dt e = K TRANS ( Cp Ce) Analysis II. KTRANS t K Ce = Cp V e 0 Ve C t = VpCp + TRANS ( t' ) exp ( t t' ) dt' V e C e V e : fractional extracellular volume C e : extracellular tracer concentration V p : fractional plasma volume C p : plasma tracer concentration C t : total tissue tracer concentration K TRANS : permeability transfer constant t K Ct = VpCp + KTRANS Cp 0 Ve TRANS ( t' ) exp ( t t' ) dt' Johnson et al., MRM 51:961-968;2004 968;2004 92

Analysis III. The fit was carried out with MatLab 6.5 (University( of Szeged,, Faculty of Science and Informatics) t K Ct = VpCp + KTRANS Cp 0 Ve V p, V e, K TRANS were rcbv = V p / (1-haematocrite haematocrite) TRANS ( t' ) exp ( t t' ) dt' V e : fractional extracellular volume C e : extracellular tracer concentration V p : fractional plasma volume C p : plasma tracer concentration C t : total tissue tracer concentration K TRANS : permeability transfer constant were determined as fit parameters 93

BBB-opening Dynamic Susceptibility(T2*) -weighted Contrast-enchanced (DSC) MRI time quantitative information: relative Cerebral Blood Volume (rcbv) permeability (K (K TRANS ) 94

Results S plasma normal WM S t tumour C plasma normal WM C t tumour 95

Results K TRANS = 0,0012s-1 1 (0,00053-0,0020 0,0020 s-1) s rcbv = 1,125% (0,04-12%) 12%). Good agreement with literature range (in parenthesis) According to these parameters the state of the BBB refers to a malignant tumour with low blood volume For comparison, rcbv of normal WM 2% 96

Conclusion We managed to setup a method able to quantitatively determine the state of the BBB at 1T We may assume: dignity grade Usefullness: Diagnosis Monitoring (closing( of the BBB e.g. in radiotherapy) Future: smaller contrast material -> able to detect discret leakage of BBB 97