WYKŁAD 5 Nowe metody badawcze - wbns.uksw.edu.pl fileTomograf MRI • Największą częścią...
Transcript of WYKŁAD 5 Nowe metody badawcze - wbns.uksw.edu.pl fileTomograf MRI • Największą częścią...
NeurokognitywistykaWYKŁAD 5
Nowe metody badawcze
Obrazowanie anatomii i patologii mózgu metodą
MRI (Magnetic Interference Resonance).
Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski
Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego
Obrazowanie magnetyczno-
rezonansowe
• Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang.
MRI, magnetic resonance imaging) nazywane jest
też tomografią magnetycznego rezonansu
jądrowego (NMR - Nuclear Magnetic Resonance).
• MRI jest nieinwazyjną, stosunkowo bezpieczną dla
pacjenta/badanego metodą uzyskiwania obrazów
narządów wewnętrznych (przekrojów w dowolnej
płaszczyźnie, trójwymiarowych rekonstrukcji).
• Można nią także badać tkanki martwe i obiekty
nieorganiczne.
Tomograf MRI
• Największą częścią aparatu MRI jest ogromny i bardzo silny elektromagnes o polu stałym (w badaniach ludzi 1.5 – 7 Tesla). Ponadto w jego skład wchodzą elektromagnesy pomocnicze oraz zestaw czujnikówpromieniowania w zakresie fal radiowych.
• Czujniki położone są wokół otworu w elektromagnesie i odbierają ukierunkowaną emisję wzbudzonych fal radiowych.
• Złożone emisje fal, zarejestrowane przez czujniki, są zapisywane w komputerze i przetwarzane na dwuwymiarowy obraz położenia źródeł promieniowania.
• Przesuwanie obiektu badanego w płaszczyźnie horyzontalnej dodaje trzeci wymiar.
Tomograf MRI
• Osoba badana jest układana na specjalnym wózku i unieruchamiana, a następnie wraz z wózkiem wprowadzana do wnętrza elektromagnesu. Zależnie od celu, badanie trwa od kilku minut do kilku godzin.
• Ogromny elektromagnes urządzenia zużywa bardzo dużo energii i wytwarza wysoki poziom hałasu.
• Po wyłączeniu, potrzeba kilku dni, aby ustabilizować jego pracę.
Obrazy MRI
• Od lewej:
• - obraz pokazujący przekrój strzałkowy (płaszczyzna pionowa) przez środek głowy człowieka;
• - obraz przekroju horyzontalnego przez głowę człowieka;
• - obraz przekroju czołowego przez jamę brzuszną człowieka.
Obrazowanie MRI• MRI jest w tej chwili jedną z najważniejszych technik
diagnostyki obrazowej. Na obrazach MRI można
rozpoznać zarówno struktury prawidłowe, jak i zmiany
patologiczne.
• MRI daje obrazy o dużym kontraście, ale kosztem dość
niskiej rozdzielczości przestrzennej (w zastosowaniach
medycznych ok. 2-10 mm, w zastosowaniach naukowych
nawet 50 mikronów).
• Zależnie od typu rejestracji i koniecznej rozdzielczości,
tworzenie jednego obrazu może trwać od 0.5 s do
kilkudziesięciu godzin.
• W czasie dłuższego badania możliwe jest powtarzanie
obrazowania i uzyskanie obrazu dynamiki zmian.
Zastosowania obrazowania MRI
• W medycynie ludzkiej i weterynaryjnej MRI jest jedną z podstawowych technik diagnostyki obrazowej.
• Przykłady zastosowań medycznych: diagnostyka nowotworów, obrazowanie przebiegu naczyń i ich zwężeń (angiografia), ocena zmian spowodowanych leczeniem, obrazowanie narządów przed radioterapią.
• W badaniach naukowych prowadzonych in vivo na zwierzętach lub ludziach MRI umożliwia nieinwazyjne porównywanie anatomii mózgu różnych osób/osobników i badanie dynamiki zmian związanych z ich rozwojem, starzeniem, rozwojem patologii i skutkami leczenia.
Jak wynaleziono obrazowanie
magnetyczno-rezonansowe?• Zjawisko rezonansu magnetycznego (MR) zostało
przewidziane przez teorię kwantową w latach 1930-tych.
• Sposób analizy sygnału emitowanego przez jądra atomowe w zmiennym polu magnetycznym został opisany w 1946 roku przez F. Blocha i E.M. Purcella. W 1952 roku jej twórcy otrzymali nagrode Nobla za to osiągnięcie.
• W 1952 H. Carr (USA) zarejestrował jednowymiarowy sygnał emisji rezonansowej o złożonym przebiegu.
Nieudane próby stworzenia obrazowania
magnetyczno-rezonansowego
• W 1960 profesor fizyki Władysław Iwanow złożył do władz Akademii Nauk Rosji w Leningradzie projekt skanera MRI pozwalającego tworzyć dwuwymiarowe obrazy struktur, z prośbą o sfinansowanie. Przez 10 nie otrzymał odpowiedzi.
•
• W 1971 Raymond Damadian, profesor State University of New York, opublikował w Science i opatentował urządzenie do wykrywania nowotworów, oparte na zjawisku rezonansu magnetycznego. Używał do analizy niewłaściwej komponenty złożonego sygnału, więc urządzenie nie znalazło praktycznego zastosowania.
• Paul Lauterbur (U. Stony Brook) rozwinął obrazowanie oparte na analizie gradientów (siły) sygnałów rejestrowanych przez różne czujniki. W 1973 opublikował pierwszy obraz uzyskany tą metodą, a w 1974 pierwszy obraz przekroju przez żywą mysz.
• W końcu lat 1970-tych Peter Mansfield, profesor fizyki na U.Nottingham w Anglii opracował narzędzia matematyczne, które umożliwiały otrzymanie dużo lepszego obrazu, skracając jednocześnie czas analizy z godzin do sekund.
• W roku 2003 Lauterbur i Mansfield otrzymali nagrodę Nobla za swój wkład w obrazowanie MRI.
• W roku 1980 Paul Bottomley (USA) zbudował pierwszą maszynę działającą na takich zasadach, jak współczesne MRI.
• Obecnie skanery MRI są powszechnie stosowane w medycynie ludzkiej i weterynaryjnej, oraz w badaniach naukowych.
Jak wynaleziono obrazowanie
magnetyczno-rezonansowe?
Fizyczne podstawy
obrazowania MRI
• Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe
• (MRI) opiera się na zjawisku jądrowego
• rezonansu magnetycznego (MR).
• Jest to zjawisko, które zostało przewidziane i wyjaśnione przez teorię kwantową.
• Teoria kwantowa przewiduje, że cząstki elementarne jąder (w szczególności protony), w silnym polu magnetycznym zachowują się jak dipole (mają magnetyczny biegun dodatni i ujemny).
• Najliczniejsze w przyrodzie jądro stające się w polu magnetycznym dipolem, to jądro wodoru. Ponad 80% jąder wodoru wchodzących w skład naszego ciała wchodzi w skład cząsteczek wody.
Fizyczne podstawy
obrazowania MRI• Dipole o nieparzystej liczbie protonów (na
przykład jądra wodoru = 1 proton) zachowują się jak planety, to jest wirują wokół własnej osi. W fizyce mówimy, że cząsteczki te mają różny od zera (niezerowy) magnetyczny moment obrotu(„spin”).
• Spin jest to własny (nie wynikający z ruchu danej cząsteczki w przestrzeni) momentpędu (moment obrotowy) tej cząsteczki w układzie, w którym ona spoczywa. Każdy rodzaj cząstek elementarnych ma charakterystyczny dla siebie spin.
• Gdy na cząsteczki elementarne nie oddziałuje zewnętrzne pole magnetyczne, spiny protonów są dipolami, których osie są ułożone w przypadkowych kierunkach.
Podstawą zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest oddziaływanie magnetycznych spinówjądrowych z zewnętrznymi polamimagnetycznymi
Polaryzacja spinów cząstek
elementarnych w polu magnetycznym• Przypadkowo ukierunkowane osie dipolów w jadrze można
uporządkować silnym stałym polem magnetycznym.
• Kiedy na jądra atomów o momencie magnetycznym (spinie) różnym od zera działa stałe, silne polemagnetyczne, to porządkuje ono orientację spinów: wszystkie osie magnetyczne cząsteczek elementarnych ustawiają się w tym samym kierunku.
• Nie zmienia to położenia tych cząsteczek w przestrzeni (nie przemieszcza ich).
Zmiany kierunku spinu
w stałym polu magnetycznym• Koordynując oś spinu z kierunkiem stałego pola
magnetycznego, protony emitują falę elektromagnetyczną w zakresie fal radiowych..
• Wpływem innego pola o częstotliwościach rezonansowych można odwrócić kierunek spinów z „góry” na „dół” i odwrotnie.
• Każda zmiana kierunku spinu powoduje emisję jeszcze innego sygnału elektromagnetycznego.
Kierunki spinu jądrowego, stany
energetyczne, statystyka.• W mechanice kwantowej dwóm kierunkom spinu
(oznaczanym + i -) odpowiadają dwa różne poziomy energetyczne, czyli dwa „stany własne” momentu pędu jądra.
• Stanom własnym energii odpowiadają tzw. populacje, opisane statystyką Boltzmanna.
• W temperaturach pokojowych, w stanie równowagitermodynamicznej istnieje tylko niewielka nadwyżka spinów (ok. 1 na 100 tys.) znajdujących się w stanie o niższej energii (zgodnie z polem ) i tylko tą różnicę możemy zaobserwowaćeksperymentalnie w stałych warunkach.
Odwrócenie kierunku polaryzacji• Kiedy na tak uporządkowane (spolaryzowane) dipole
podziałamy innym polem magnetycznym, które obraca się(wiruje) w płaszczyźnie prostopadłej do pola głównego, to dla pewnej ściśle określonej częstości tej rotacji (czyli określonej długości fali) obserwuje się oddziaływanie między polem a kierunkiem magnetyzacji próbki.
• Efektem tego oddziaływania jest wyprowadzeniemagnetyzacji z położenia równowagi, w którym początkowo się znajdowała i odwrócenie kierunku magnetyzacji (rys. 3).
• Odwracając polaryzację, spiny o niższym poziomie energetycznym pochłaniają energię, a zatem osiągają wyższy poziom energetyczny.
Emisja sygnału relaksacji i jego
wykrywanie • Kiedy następnie wyłączymy wirujące pole magnetyczne,
spiny spontanicznie powracają do poprzedniej orientacji (o niższej energii), emitując kwanty o częstotliwości właściwej dla danej cząstki elementarnej, jądra atomowego lub cząsteczki chemicznej (faza relaksacji).
• Fale (kwanty) wysyłane podczas relaksacji są wykrywane, a źródło tego promieniowania może być zlokalizowane w przestrzeni podczas rejestracji MRI.
Wirujące cząsteczki elementarne
Precesja• Oś wirującego dipolu
magnetycznego zatacza kręgi wokół kierunku pola głównego (jak bączek). Jest to nazywane precesją.
• Tak też wiruje ziemia. Jej cykl precesji trwa 26 000 lat.
• Precesja wirujących cząsteczek wytwarza odrębny sygnał (emisję fal), który również można zarejestrować przy pomocy specjalnych detektorów.
• Po odpowiednim przekształceniu, jest to jeszcze jeden sygnał pozwalający zlokalizować położenie dipolu w przestrzeni.
Rejestracja sygnałów MRI
PODSUMOWANIE• ● Podstawą magnetycznego rezonansu jądrowego jest wykrywanie
zmian magnetyzacji cząstek, gdy ciało o makroskopowych wymiarach z nich złożone umieszczone jest w polu magnetycznym złożonym z dwu pól składowych:
• ● - pola nieruchomego;
• ● - pola zmiennego, którego wektor natężenia wiruje z pewną, ściśle określoną prędkością kątową;
• ● Pole nieruchome polaryzuje osie magnetyzacji dipoli. Wirujące dipole magnetyczne mają precesję, którą można wykrywać, a miejsce emisji jej sygnału lokalizować.
• Pole ruchome odwraca „siłą” (z nakładem energii) polaryzację magnetyczną cząstek
• Spontaniczny powrót części cząsteczek do dawnej polaryzacji, po zmianie kierunku pola uwalnia kwanty energii, które można również wykrywać i lokalizować.
• Modulowanie pola głównego przez pole ruchome i jednoczesny pomiar sygnału rezonansu magnetycznego są podstawą rejestracji MRI.
Budowa aparatu MRI
• Zewnętrzną część aparatu MRI stanowi cewka główna, wytwarzająca stałe pole magnetyczne o dużym natężeniu (B0).
• Wewnątrz są cewki wytwarzające zmienne pole magnetyczne (B1 - B3) w trzech prostopadłych kierunkach, oraz czujniki (rejestratory).
• Czujniki (niebieskie) wykrywają emitowane sygnały.
Schemat rejestracji MRI• Za pomocą wirującego pola
B1, znacznie słabszego od
stałego pola B0 i
przesuniętego w fazie o 900
możemy zmieniać kierunek
wektora magnetyzacji
cząsteczek elementarnych,
pod warunkiem, że prędkość
kątowa wektora B1 jest
równa prędkości kątowej
precesji cząsteczek .
• Emitowany sygnał relaksacji
jest bardzo złożony i musi
zostać poddany obróbce za
pomocą specjalnych
programów komputerowych.
Magnes stały tomografu o indukcji 1,5T (Tesla) wytwarza pole magnetyczne ok 30 000 razy silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego. Do celów badawczych używa się aparatów o sile 3-12T.
Rejestracja MRI
• Badany obiekt umieszczany jest w silnym
stałym polu magnetycznym, wytwarzającym
siłę przyciągania około 30 000 razy większą
od siły przyciągania ziemi, z nałożonym
zmiennym polem w trzech kierunkach
(X,Y,Z).
• Obraz jest tworzony przez analizę i
integrację czaso-przestrzenną odpowiedzi
obiektów (dipoli), to jest wygenerowanych fal
elektromagnetycznych o częstotliwościach
radiowych (16-64 kHz).
Metale zakłócają rejestrację MRI• Obecnie w chirurgii stosuje się szereg sposobów
leczenia wymagających wprowadzenia do organizmu elementów metalowych.
• Są to: protezy naczyniowe, stenty, spirale, klipsy naczyniowe, szwy metalowe, protezy stawów, materiały służące do zespoleń w ortopedii.
• Wszystkie one zakłócają rejestrację obrazów tomograficznych (CT), MRI i fMRI, ograniczając wartość diagnostyczną nowoczesnych badań obrazowych. Gdy elementy metalowe są większe, to uniemożliwiają rejestrację.
• Obecność wszczepów metalowych może też doprowadzić do uszkodzeń mechanicznych tkanek w silnym polu magnetycznym.
• Przegrzanie tkanek w okolicy wszczepów może prowadzić do reakcji zapalnej.
Rejestracja sygnałów MRI
PODSUMOWANIE• ● Podstawą magnetycznego rezonansu jądrowego jest wykrywanie zmian
magnetyzacji cząstek elementarnych, gdy ciało o makroskopowych wymiarach umieszczone jest w polu magnetycznym złożonym z dwu pólskładowych:
• ● - pola nieruchomego, które polaryzuje osie magnetyzacji. Wokół tych osi odbywa się precesja, wytwarzająca sygnał, który można wykrywać i lokalizować.
• ● - pola zmiennego, którego wektor natężenia wiruje z pewną, ściśle określoną prędkością kątową, a następnie jest wyłączany. Obecnie na ogół nie stosuje się pól wirujących, gdyż do wywołania zjawiska rezonansu jądrowego wystarczy drgające pole magnetyczne, wytworzone przez jedną cewkę, której oś znajduje się w płaszczyźnie XY.
• Pole ruchome odwraca „siłą” (z nakładem energii) polaryzację magnetyczną cząstek.
• Spontaniczny powrót części cząstek do dawnej polaryzacji uwalnia kwanty energii w zakresie fal radiowych, które można również wykrywać i lokalizować.
• Modulowanie pola głównego i jednoczesny pomiar sygnału rezonansu magnetycznego są podstawą rejestracji MRI.
Sygnały używane w tomografii
magnetycznego rezonansu
jądrowego• Pomiarowi podlega:
• ● Ilość zaabsorbowanej energii, co daje informację o gęstości protonów. Różne związki chemiczne i tkanki różnią się gętością upakowania w nich protonów.
• ● Wielkość energii E (informacja o częstotliwości precesji a więc o wielkości pola B w otoczeniu)
• ● Czas relaksacji spinu
Odmiany rejestracji MRI
• Obrazowanie MR może być przeprowadzone na podstawie analizy różnych sygnałów („w różnych sekwencjach”).
• Nieznaczne zmiany w ustawieniu podstawowych parametrów obrazowania mogą doprowadzić do uzyskania nieco odmiennych danych, mających różne możliwości diagnostyczne.
• Najczęściej rejestruje się dwa różne czasy relaksacji T1 i T2
Rekonstrukcja mapy MRI
• W czasie jednej sesji zbierane są
miliony pojedynczych sygnałów.
• Są one następnie przetwarzane
• w programach komputerowych, które
konstruują mapy natężenia
sygnału w różnych punktach przestrzeni badanego obiektu. Natężenie to odpowiada koncentracji jąder o nieparzystej liczbie protonów w przestrzeni .
• Jeśli koordynaty przestrzeni, w jakiej znajduje się próbka sąznane, to informacja przestrzenna może zostać odkodowana a zbiór sygnałów (widm) o różnym czasie rejestracji może zostać zamieniony na trójwymiarowy obraz próbki.
• Odkodowanie obrazu nazywane jest jego rekonstrukcją.
Co naprawdę obrazujemy przy
pomocy MRI?• Każde jadro o nieparzystej liczbie protonów umieszczone w
silnym polu magnetycznym może emitować energię użyteczną dla analizy MRI
• Najczęściej wykorzystywanym w obrazowaniu MRI jądrem rezonansowym jest pojedynczy proton — jądro atomu wodoruwystępujące powszechnie w obiektach biologicznych, w szczególności w cząsteczkach wody. W ciele człowieka (i innych zwierząt) ponad 80% atomów to atomy wodoru, one więc dają najsilniejszy sygnał. Około 90% tych atomów, to wodór tworzący cząsteczki wody.
• Stopień uwodnienia tkanek i proporcja roztworów wodnych do ciał tłuszczowych w badanej przestrzeni są najważniejszymi zmiennymi, powodującymi różnice natężenia generowanego sygnału w różnych punktach badanego obiektu, n.p. układu nerwowego.
Rodzaje rejestracji MRI• Ze względu na parametry podstawowe, metody
obrazowania dzieli się na:• obrazy T1-zależne, najlepiej oddające wizualnie strukturę
anatomiczną mózgu, gdzie istota biała jest ukazywana w jasnych kolorach, zaś istota szara w ciemnych, płyn mózgowo-rdzeniowy, ropnie i guzy na ciemno, a n.p. miąższ wątroby na jasno.
• obrazy T2-zależne, na których istota biała ukazywana jest w ciemniejszych barwach, zaś istota szara – w jaśniejszych, płyn mózgowo-rdzeniowy, guz, ropień, naczyniak wątroby i śledziona – na jasno, a wątroba i trzustka – na ciemno.
• FLAIR (ang. Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pewna modyfikacja sekwencji T2-zależnej, gdzie obszary z małą zawartościąwody ukazywane są w ciemniejszych barwach, zaś obszary z dużą zawartością wody – w jaśniejszych. Obrazowanie w tej sekwencji jest stosowane w wykrywaniu chorób demielinizacyjnych.
• Obrazowanie dyfuzyjne mierzy parametry dyfuzji cząsteczek wody w tkance. Wyróżnia się tutaj następujące techniki: obrazowanie tensora dyfuzji (ang. DTI – diffusion tensor imaging), które może być zaadaptowane do obrazowania kierunku przebiegu włókien w istociebiałej, oraz obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. DWI – diffusion-weighted imaging), które skutecznie obrazuje zakres patologii poudarach mózgu.
Fazy rejestracji T1 i T2
• W „stanie równowagi” (gdy nie działają na nie zewnętrzne siły elektromagnetyczne) spiny emitują energię odbieraną jako sygnał T1.
• Spiny są następnie wytrącane z równowagi przez impuls magnetyczny o kierunku poprzecznym do osi ich rotacji.
• Po ustaniu tego impulsu magnetyzacja zanika, wyzwalając energię w postaci sygnału T2.
Skany MRI kolana i całego
ludzkiego ciała
Arbitralnie dodane kolory
oznaczją różny stopień
uwodnienia tkanek.
Różnicuje to wyraźnie tkanki
uwodnione, zmineralizowane i
zawierające dużo tłuszczu
Przekształcenia serii przecięć,
trójwymiarowe wizualizacje
• Seria skanów mózgu
w linii strzałkowej • Rekonstrukcja przebiegu
naczyń mózgu
Stwardnienie rozsiane (SM)
Rejestracja MRI-T2FLAIR. Obraz jest tym jaśniejszy, im więcej jest w tkance wody.
Jasne obszary na przekroju pokazują obszary objęte procesem chorobowym (demielinizacja aksonów) w wyniku reakcji autoimmunologicznej.
Starzenie się mózgu człowieka i psa
Obrazowanie MRI pokazuje podobne
zmiany u starzejących się ludzi i zwierząt.
Zmniejszanie się grubości istoty szarej powoduje
rozszerzenie komór mózgu.
Obrazowanie tensora dyfuzji
• Aksony są rurkami z substancji tłuszczowych, w których znajduje się nasycona wodą plazma komórkowa.
• Cząsteczki wody, wraz z ich atomami wodoru, nie mogą w nich wykonywać ruchów Browna z tym samym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach.
• Możliwe jest zobrazowanie nierównomierności kierunku ruchów Browna wody w aksonach, co wyznacza trasę i kierunek przebiegu włókien nerwowych.
Obrazowanie szlaków włókien w żywym
mózgu przy pomocy analizy tensora
dyfuzji (DTI) - traktografia
Kolory są dodawane sztucznie, dla lepszego śledzenia
przebiegu poszczególnych pęczków włókien, łączących różne
struktury.
Komputerowe atlasy mózgu MRI• Prof. Wiesław Nowiński.
• 1977 ukończył elektronikę
na Politechnice
Warszawskiej. Pracował w
PAN nad rekonstrukcją
obrazów w tomografii
komputerowej.
• W 1991 wyjechał do
Singapuru, gdzie opracował
pierwszy komputerowy atlas
mózgu ludzkiego.
Stworzył 34 komputerowe atlasy mózgu, używane w czasie większości operacji
chirurgicznych na całym świecie.
Autor ponad 500 publikacji naukowych.
32 patenty w USA i UE. Wykłady w USA, Singapurze i Chinach.
Wiele wysokich międzynarodowych nagród, w tym Europejski Wynalazca Roku 2014.
Obecnie jest profesorem UKSW.
Chce tworzyć atlasy komputerowe wszystkich narządów ciała.