Tuomo Saloheimo SYVENTÄVÄÄ MAGNEETTIKUVAUKSEN FYSIIKKAA JA LAITEOPPIA 14.8.2015
8. Nopeat kuvausmenetelmät Perinteisessä SE-kuvauksessa kuvauksessa yhdellä sekvenssillä pystytään ottamaan informaationa yhden vaiheen eri taajuudet. Tämä tarkoittaa, että kerralla saadaan informaatio kuvan yhdestä vaakasuuntaisesta pikselirivistä. Jos kuvassa on 256 x 256 pikseliä, tarvitaan 256 SE-sekvenssin sarja. Yhden TR-TE-jakson kesto on puolesta sekunnista (T1W) useisiin sekunteihin (T2W). Yhden kuvan muodostamiseen tarvitaan siis tähän nähden 256-kertainen aika! Tilanteissa, joissa esim. hengitysliike häiritsee tai verenvirtaus tai kudosperfuusio ovat mielenkiinnon kohteena (mm. MK-angiografia) nämä ajat ovat liian pitkiä. Tällaisia tilanteita varten on kehitelty monimutkaisia menetelmiä. Tässä näistä esitetään vain yleispiirteitä. 1) Käyttämällä 180 asteen inversiopulssin sijasta käytetään magneettigradienttia, mikä lyhentää kaikuaikaa: Gradientti aiheuttaa epähomogeenisuutensa takia poikittaisen vaimenemisen. Kun gradientti kääntää hetken kuluttua suuntaansa, syntyy samanlainen signaalin kääntyminen kuin 180 asteen pulssillakin: edellä olleet nopeasti pyörivät protonit saavat kiinni hitaammat ja saavuttavat tietyllä hetkellä koherenssin.tämä kaikki tapahtuu gradientin avulla paljon nopeammin kuin normaalilla inversiopulssilla ja mahdollistaa siis lyhyet TR-ajat. Tällaista gradienttien käyttää kutsutaan kenttäkaikumenetelmäksi GE (Gradient Echo, esim. TurboGSE (Gradient Spin Echo, kenttä-spinkaiku)). Gradient Echo -sekvenssi RF-pulssit 90 o FID- ja kaikusignaalit Signaalin vastaanotto Leikkeenvalintagradientti Vaihekoodausgradientti Taajuuskoodausgradientti 2 Negatiivinen gradientti
Echo planar imaging (EPI) -menetelmässä tuotetaan gradienttikaikutekniikalla vastakkaisia taajuuskoodausgradienttien tuottamia kaikuja nopeana peräkkäisenä sarjana. Kukin tällainen kaiku muodostuu yhdestä kuvan viivasta. Koko kuva saadaan muodostettua tällöin jopa 40-100 millisekunnissa. Menetelmä on vaativa ja häiriöherkkä, mutta nykyään sillä saadaan korkeakenttälaitteissa suhteellisen laadukkaita kuvia. Laitteistolta vaaditaan myös erityisominaisuuksia, esim. kykyä korkeaan gradienttipulssitaajuuteen. 2) Lyhentämällä TR-arvoa, mikä pienentää kääntökulmaa (tyypillinen FA 90 asteen sijasta 10-35 o ). Tällöin pitkittäinen relaksaatio jätetään täysin kesken, mikä kasvattaa myös FID-signaalien voimakkuutta. Signaalien välinen kontrasti jää kuitenkin heikoksi. Alle 90 asteen kääntökulma: Lyhyt TR, voimakkaat signaalit, heikko signaalikontrasti AINE 1 AINE 2 AINE 1 AINE 2 TR Esim. FLASH (Fast Low 90 o Angle Shot) 90 o 3
3) Kuvausta voidaan myös nopeuttaa kuvaamalla useampaa leikettä samaan aikaan. Tämä ei kuitenkaan lyhennä yhden yksittäisen sekvenssin kestoa. Jotta taajuus- ja vaihekoodauksen käyttämät taajuudet eivät menisi sekaisin leikkeenvalinnan kanssa, samaan aikaan ei voida kuvata aivan vierekkäisiä leikkeitä. 4) Yksi tapa lyhentää kuvausaikaa on tehdä useita vaihekoodauksia yhden TR:n sisällä. Tällöin TR voi olla joitakin sekunteja ja sen sisällä on useita inversiopulsseja. Tunnetuin tällainen menetelmä on FSE (Fast Spin Echo). FSE-sekvenssin perusperiaate: Yksi 90 o pulssi + monta 180 o pulssia => Useita viivan lukuja yhden TR:n aikana 90 o TR 180 o 180 o 180 o TR 90 o jne... Signaalin vastaanotto: Taajuuskoodaus: 1 2 3 Vaihekoodaus 1 viiva/koodaus 4
Joissakin menetelmissä yksinkertaisesti luovutaan voimakkaan T1- T2-kontrastin vaatimuksesta. Tällöin kuva voi perustua esim. protonitiheysinformaatioon tai normaaleja kudoksia huomattavasti suurempia kontrasteja tuottavien kontrastiaineiden käyttöön. 9. Muita erityismenetelmiä 9.1 Kolmiulotteinen kuvaus (Volume Imaging) https://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/chap-8/chap-8.htm#8.10 3-ulotteinen (3D-) kuva voidaan muodostaa virittämällä esim. 10cm-20cm leveä alue ja käyttämällä y-vaihekoodauksen lisäksi z-suuntaista vaihekoodausta siten, että x- ja y-gradienttien voimakkuuden muutellessa analysoitava taso kiertyy. 9.2 Inversiomenetelmä IR (inversed recovery) SE- eli spinkaikumenetelmän rinnalla on suhteellisen usein käytössä toinen sekvenssi, inversiomenetelmä IR. Tässä menetelmässä magnetisaatio käännetään aluksi ylösalaisin 180 asteen pulssilla. Spinien suunta alkaa palautua alkuperäiseksi aikavakion T1 määräämänä. Signaalia ei synny, koska xy-tason magnetisaatio puuttuu. Siksi lähetetään ajan TI (time of inversion) kuluessa 90 asteen rf-pulssi, joka aiheuttaa xy-suuntaisen magnetisaation ja siten myös havaittavan FID signaalin. Signaalin korkeus kertoo, missä vaiheessa palautuminen on. 5
FID-signaalin voimakkuus IR-sekvenssissä: AINE 1 TI AINE 2 TI Nopea palautuminen => heikko FID AINE 1 AINE 2 Hidas palautuminen => voimakas FID TI 180 o 90 o IR-menetelmässä FID-signaalin korkeus on verrannollinen lausekkeeseen N(H). (1 + e -TR/T1-2e -TI/T1 ). Pitkät TR ja pitkä TI aiheuttavat protonitiheyspainotteisuuden. Kuten SE-menetelmässäkin, lyhyt TR korostaa T1-eroja. Kontrasti on voimakkaampi kuin SE-menetelmässä. Tämä onkin yksi menetelmän käytön syy. Mahdolllinen signaali V 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 TI 0 100 200 300 400 500 Aika (ms) SE harmaa aivoaine SE valkea aivoaine IR harmaa aivoaine IR valkea aivoaine Rasvalla on lyhyt T1 ja pitkä T2, joten se on kirkas kaikissa kuvissa. Jos IR-menetelmällä käytetään TI-arvoa, jonka suuruus on ln2. T1, rasvasta saatavan signaalin arvo on nolla. Täitä menetelmää kutsutaan rasvasupressioksi eli STIR-sekvenssiksi (= short time IR). 6
Mahdolllinen signaali V 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 TI= ln2 x T1 rasva 0 100 200 300 400 500 Aika (ms) IR harmaa aivoaine IR valkea aivoaine IR rasva T2-informaation tuottamisen ja T2-painotuksen logiikka on vastaava kuin SE-menetelmässäkin. Linkkejä kuviin: IR-kuva T1W Rasvasuppressiokuva (SE T1W vas, STIR oik) http://www.springerimages.com/images/medicineandpublichealth/1-10.1007_s00247-005-1446-2- 2 http://www.learningradiology.com/caseofweek/caseoftheweekpix2010%20387-/cow395-2lg.jpg 9.3 Rasvan ja veden resonanssitaajuuksien hyväksikäyttö IR-menetelmässä STIR-tekniikalla saadaan rasva katoamaan kuvasta. Rasvasignaalin poistossa voidaan käyttää myös rasvalle ominaista muita kudoksia korkeampaa resonanssitaajuutta. FAT- SAT-menetelmässä lähetetään TR-ajan lopussa ylimääräinen RF-pulssi, joka on juuri rasvan (mutta ei muiden kudosten) resonanssitaajuudella. Tällöin rasva jää jälkeen muiden aineiden pitkittäisessä palautumisessa, jolloin se antaa olemattoman heikon signaalin. Sama temppu voidaan tehdä myös vedelle, jonka resonanssitaajuus on muita aineita alhaisempi (WATSAT). 7
FATSAT-toiminnon vaikutus FID-signaaliin RASVA Ylimääräinen RF-pulssi * Rasvan ominaistaajuudella * Ei gradienttia AINE 1 90 o 90 o 90 o 180 o AINE 1 RASVA TR T1W SE-kuva ja T1W FATSAT-kuva gadolinium-kontrastiaineella http://www.radiologyassistant.nl/en/p4bc9b15f76a78/bone-tumor-a-g.html T1W SE- ka T2W FATSAT-kuvat polven alueen lipoomasta (pisaranmuotoinen alue vasemmalla). http://www.mypacs.net/cases/intramuscular-lipoma-5311784.html 8
Koska vedellä ja rasvalla on eri resonanssitaajuus, sopivalla TE-ajalla ne saadaan kumoamaan toisensa TE-ajan päättyessä. Tällöin vokselit, joissa on sekä vettä että rasvaa vesi- ja rasvapitoisten kohdealueiden rajapinnalla, tuottavat erittäin heikon signaalin. Menetelmää nimitetään Out of Phase -kuvaukseksi. Vastaavasti In Phase -kuvauksessa TE valitaan siten, että rasvan ja veden spinit vahvistavat toisiaan, jolloin rajapinnat näkyvät vaaleina raitoina. 1,5 Teslan magneettikentässä Out of Phase saadaan aikaan TE:n arvoilla 2,3, 6,9, 11,5, 16,1, ja 20,7 ms. In Phaselle vastaavat arvot ovat 4,6, 9,2, 13,8, 18,4, ja 23,0 ms. 9.4 Angiografia magneettikuvauksessa 9.4.1 Angiografia kontrastiaineilla Atomeilla, joilla on parittomia elektroneja, on elektronikuorellaan ydinspinin kaltainen, mutta jopa satoja kertoja ytimen magneettisuutta voimakkaampi magneettinen momentti. Tällaiset paramagneettiset aineet nopeuttavat pystysuuntaista relaksaatiota, mikä kirkastaa kohdetta T1-painotteisessa kuvassa. Esim. aivotuumoria voidaan korostaa gadoliniummetallilla (Gd-DTPA-kompleksilla) (ks. kuva). Gadolinium-konrastiainekuva tuumorista http://1.bp.blogspot.com/_fbqvvpfhtqs/sykvcgg38ni/aaaaaaaaa8m/l_7j8xfmxqq/s320/brain_toxoplasmosis_mr_postgd.jpg Myös poikittainen relaksaatio nopeutuu, joten gadoliniumkontrastiaine tuottaa T2-painotteisessa kuvassa heikon signaalin Myös ferromagneettisilla aineilla, kuten raudalla on poikittaista relaksaatiota nopeuttava vaikutus. Myös efektiivinen T*2-aika on erityisen lyhyt ja siten signaalin absoluuttista taso heikko. Tällöin T2-kuvassa ferromagneettinen kontrastiaine tuottaa erittäin heikon signaalin. 9
9.4.2 Virtauksen aiheuttamat kontrastit mk-angiografiassa Magneettikuvauksessa nesteiden virtaus saadaan näkyviin usealla perusmenetelmällä. Yksi T2-painotteinen menetelmä esitetään alla olevassa kuvassa. Ensimmäinen 90 asteen pulssi vaikuttaa kuvattuun viipaleeseen, myös viipaleen keskelle kuvattuun vereen. "Kuunteluvaiheen" aikana veri on kuitenkin ehtinyt poistua tutkittavasta leikkeestä ja sen tilalla on verta, jota rf-pulssi ei ole virittänyt. Suonesta ei siis saada signaalia, joten se erottuu ympäristöstä. Ilmiötä kutsutaan nimellä flow-void. Toinen, T1-painotteinen virtausta korostava efekti on seuraavanlainen: Kuvassa a on tilanne juuri ennen 90 o pulssia ja kuvassa b juuri sen jälkeen. Jos lähetetään uusi 90 o pulssi hyvin lyhyen ajan kuluttua, protonit ovat ennättäneet relaksoitua z-suunnassa epätäydellisesti. Siksi 90 o pulssista saadaan vain heikko signaali. Koska suonessa tutkimusviipaleeseen virrannut veri ei kuitenkaan ollut mukana ensimmäisessä 90 o pulssissa, sen z-magnetisaatiota ei olla tähän mennessä häiritty (kuva c). Tästä syystä se antaakin ympäristöään voimakkaamman signaalin 90 o pulssin vaikutuksesta. Menetelmää kutsutaan nimellä time-of-flight (TOF) 10
Virtaus saadaan näkyviin myös monimutkaisella järjestelyllä, jossa voidaan eroteltua niiden ytimien spinit, joiden vaihe on "väärä", koska gradientissa niiden paikka on muuttunut virtauksen takia. Menetelmä voi erottaa eri nopeudella etenevän virtauksen tuottamat informaatiot, kuten valtimo- ja laskimoveren ja määrittää myös virtauksen suunnan ja nopeuden. Menetelmää kutsutaan vaihekontrastimenetelmäksi PC (Phase Contrast). Nykyään näistä menetelmistä käytetään magneettiangiografiassa lähinnä vaihekontrasti- ja TOFmenetelmää. Niillä tuotettuja kuvia kutsutaan MIP-kuviksi (minimum intensity projection). MIP-kuva http://www.mr-tip.com/0_slider_001/3d_mip_mra_007.png 11
9.5 Funktionaalinen magneettikuvaus fmri Kuvaus perustuu BOLD (Blood oxygen level dependent)-efektiin: - Hapekas oksihemoglobiini on diamagneettinen eli vastustaa ulkopuolista magneettikenttää, kun taas hapeton deoksihemoglobiini on paramagneettinen eli voimistaa ulkopuolista magneettikenttää. - Hapekkaan hemoglobiinin tuottama magneettisuus on lähempänä ympäröivän kudoksen tuottamaa, jolloin kenttä on homogeenisempi kuin hapettoman hemoglobiinin aiheuttama. - Kun neuraalinen aktiivisuus kasvaa => verenkierto aivojen aktivoituneella alueella lisääntyy. Tällöin hapekkaan hemoglobiinin määrä lisääntyy => kentän homogeenisuus lisääntyy => T2-painotteisen kuvan signaali voimistuu. - Vaste alkuperäiseen ärsykkeeseen on hidas. fmri-signaalin voimakkuus alkuperäisestä stimuluksesta kuluneen ajan funktiona - Toisaalta ilmiö tuottama signaali häipyy myös nopeasti => kuvan muodostamiseen vaaditaan nopeaa menetelmää. EPI on nykyään käytetyin. - Kontrastit ovat niin heikkoja, että ne eivät näy yksittäisessä kuvassa. Tästä syystä informaatio muodostuu vertaamalla aktivaatiotilanteen kuvaa perustilanteen kuvaan. - Toisaalta ottamalla nopeita kuvasarjoja saadaan myös informaatiota vasteen muutoksesta. - Kontrastia korostetaan kuvassa yleensä väreillä. - fmri-kuvassa on huono resoluutio, mutta sen informaatio liitetään useimmiten tarkempaan perinteiseen magneettikuvaan. http://www.slideshare.net/cosmoaims/cosmonot-a-brief-look-at-methods-of-analysis-in-functional-mri-and-in-diffusion-tensor-imaging-dti 12
9.6 Suskeptibiliteettipainotteinen kuvaus (Susceptibility weighted imaging SWI, aiemmin BOLD-venografia) Suskeptibiliteetti-sanalla tarkoitetaan sitä, miten paljon aineen ominaisuudet tuottavat vaihtelua homogeeniseen magneettikenttään. SWI käyttää joko pitkää kaikuaikaa tai gradienttikaikumenetelmää. Menetelmä hyödyntää kudosten aineiden erilaisten magneettisten ominaisuuksien aiheuttamia suskeptibiliteettieroja jotka synnyttävät vaihe-eroja tällaisten aineiden rajapinnoille. Paikka- ja vaiheinformaatio yhdistetään korostamaan kuvan kontrastia tällä perusteella. Menetelmä on erittäin herkkä havaitsemaan laskimoverta ja verenvuotoa ja sen avulla pystytään arvioimaan myös vuodon ikää. Suskeptibiliteetti riippuu voimakkaasti veren happipitoisuudesta, joten sitä onkin siksi kutsuttu aiemmin BOLD-venografiaksi. Kuvauksessa käytetään virtauksen kompensointimenetelmää, jolla saadaan poistettua tasaisesti virtaavan (laskimo)veren tuottamaa liikeartefaktaa. Kuvassa vasemmalla gradienttikaikukuva ja oikealla SWI-kuva, jossa laskimot selvästi esillä http://en.wikipedia.org/wiki/file:compare_swi_and_gre_trauma.png 9.7 Diffuusiokuvaus Diffuusio on ilmiö, jossa molekyylit siirtyvät väkevämmästä pitoisuudesta laimeampaan, jolloin mahdolliset pitoisuuserot tasoittuvat vähitellen. Molekyylien liike on satunnaista lämpöliikettä eli Brownin liikettä. Diffuusiokuvaus perustuu vesimolekyylien diffuusion vaikutukseen magneettikuvan signaalin voimakkuuteen. Vesimolekyylien diffuusio aiheuttaa signaalin heikkenemistä magneettikuvassa. Runsaan diffuusion alue näkyy siis tummana ja vähentyneen diffuusion alue vaaleana. Vapaassa tilassa diffuusiota tapahtuu symmetrisesti kaikkiin suuntiin (isotrooppinen diffuusio). Toisaalta esimerkiksi aivojen valkean aineen hermosäikeissä diffuusiota tapahtuu enemmän hermosäikeiden suuntaisesti kuin niihin nähden kohtisuorasti (anisotrooppinen diffuusio). Diffuusion voimakkuus vaihtelee myös valkean aineen eri osissa mikä mahdollistaa melko tarkan aivokudoksen analyysin. Diffuusiopainotteisessa kuvauksessa (DWI) käytetään yhtä tai useampaa diffuusioherkkää gradienttia. Kuvauksessa määritellään jokaisen vokselin diffuusion voimakkuutta kuvaava diffuusiokerroin. Gradientin suunnassa olevat korkean diffuusion vokselit vaimentavat signaalia enemmän kuin matalan diffuusion vokselit. 13
Monet kudosvauriot ja sairaudet voivat heijastua veden diffuusioon. Esimerkiksi tuumoreissa diffuusion voimakkuuden vaihtelu on yleensä vähäisempää kuin normaalissa valkeassa aineessa. Nekroottisilla alueilla diffuusio on voimakkaampaa kuin aktiivisen kasvaimen alueella, ja myös hidaskasvuisilla glioomilla diffuusio on yleensä nopeakasvuisia kasvaimia voimakkaampaa. Diffuusiokuvauksesta saadaan nykyään suurin hyöty akuutin aivoinfarktin varhaisdiagnostiikassa Solukalvon vaurio tuoreessa aivoinfarktissa aiheuttaa nesteen siirtymisen solun sisään, jolloin solu turpoaa ja diffuusio vähenee. Tästä taas seuraa signaalin voimistuminen. http://www.unipa.it/~radpa/patneu/dwir.gif Diffuusiopainotteisessa kuvausmenetelmässä käytetään hyväksi useimmiten PGSE (pulsed gradient spin echo) -sekvenssiä. Koska toisaalta potilaan tai elinten liike häiritsee diffuusioliikkeen havainnointia, kuvauksessa käytetään myös nopeaa EPI-tekniikkaa. DWI:llä on kuvauskohteena aina isotrooppinen diffuusio. Diffuusiotensorikuvauksella (DTI) voidaan tutkia anisotrooppisia kudoksia, jolloin sillä voidaan kuvata jopa yksittäisiä valkean aineen hermoratoja. Kuvaus tehdään voimakkailla gradienteilla yhteen suuntaan tapahtuvalle diffuusiolle kerrallaan. Gradientin suunnassa tapahtuva diffuusio vaimentaa mitattavaa signaalia ja näkyy siksi kuvissa tummempana alueena. Mittaus toistetaan EPI-tekniikalla tyypillisesti kuudessa eri suunnassa. Lisäksi kohdealue kuvataan kerran ilman diffuusiogradientteja. Kuvista voidaan laskea diffuusiokartta, jossa näkyvä signaali-intensiteetti on verrannollinen diffuusion voimaan kunkin gradientin suunnassa. Värit osoittavat kulkusuunnan (vihreä: edestä taakse; punainen: vasemmalta oikealle, sininen: ylhäältä alas) http://www.colbyimaging.com/wiki/neuroimaging/bvecs 14
Sen avulla voidaan kuvata ja diagnosoida hermoratojen rikkoutuneisuutta tietyissä sairauksissa, esim. MS-taudissa, skitsofreniassa, Alzheimerin taudissa ja dementiassa Informaation yhdistäminen funktionaaliseen kuvaan lisää diagnostiikan tehoa edelleen. Diffuusiotensorikuvauksella on tutkittu aivojen valkean aineen lisäksi, lihaksia, munuaisia, selkäydintä ja ääreishermoja. 15