Pensum og undervisningsplan FYS MRl Introduksjon Atle Bjørnerud, Rikshospitalet Målsetting og motivasjon

Transkript

1 FYS-4780 Analyse av diagnostisk, dynamisk bildeinformasjon MRl Introduksjon Atle Bjørnerud, Rikshospitalet Litteratur og undervisningsmateriale: Slides fra hver forelesning Kompendium: The Physics of Magnetic Resonance Imaging Magnetic Resonance Imaging Marinus T. Vlaadingerbroek Jacques A. den Boer. Numerical recipes in C / C++. Press, Vetterling et al Feb-09 FYS Obligatorisk innlevering: Matlab-basert oppgave relatert til kinetikk-modellering / datamodellering Lastes ned fra: Pensum og undervisningsplan Målsetting og motivasjon 1. MR-basics (8 t) MR rekonstruksjon fra datainnsamling til bilde (3 t) MR kontrastmidler (1 t) Relaksasjon, dose-response, sekvens-optimalisering (2t) Funksjonell MRI (fmri / DTI) (2t) 2. Kinetikk-modellering (8 t) Estimering av fysiologiske parametre Multi-kompartement modeller, dekonvolusjon (4 t) Datamodellering og kurvetilpasning (4 t) - Flere bilde-modaliteter går fra statisk til dynamiske opptak (CT, MR, PET, SPECT) - Dynamisk bildeanalyse krever god forståelse av: - Kontrast-givende effekt (dose-respons) - Distribusjon av tracer (kontrastmiddel) i vevet - Matematisk modellering av målte effekt - Medisinsk tolkning av dynamisk informasjon 5 6 1

2 Målsetting og motivasjon - Gi studenten en grundig introduksjon til teori og anvendelser av dynamisk bildeanalyse innen MR. - Skape interesse for både hovedfags studier og doktorgrads studier innen medisinsk bildebehandling og dynamisk bildeanalyse - MR-delen: Legge grunnlag for flere MR fysikere på norske sykehus (<15 MR-fysikere totalt på norske sykehus i dag) Noen få medisinske uttrykk 7 8 Nevrologi: Hode og rygg (nervebaner) Kardiologi: Hjerte Thorax: Brystområdet (hjerte, lunge) Ortopedi: Muskler, skjelett, ledd Gastrologi: Organer i magen (lever, nyrer, bukspyttkjertel, milt) og tarm Nefrologi: Nyrestudier Angiografi: Fremstilling av blodårer Gynokologi: Kvinnens underliv Urologi: Mannens underliv (blære, prostata 9 Radiolog: Lege spesialist i røntgenfaget. Tolker bilde-materialet. Radiograf: Utfører avbildningene. 3 års fagutdanning Fysiker: En som bringer forvirringen opp på et høyere nivå 10 Axial eller transversal Sagital Coronalt Oblique: Dreid snitt i et plan Dobbel Oblique: Dreid snitt i to plan axialt coronalt sagittalt

3 Noen få viktige begreper: Noen få viktige begreper dy dx Kontrastmiddel (KM): et preparat som injiseres i kroppen og som er synlig på et medisinsk bilde (MR/CT, røntgen) Field-of-view (FoV) N x pixler Pixel (picture elemenet) Romlig oppløsning (mm): dx= FoV x /N x dy= FoV x /N x Snitt-tykkelse Voxel (volume element) 12-Feb-09 Typisk MR-oppløsning: FYS mm 5 mm 13 Kinetikk: beskrivelse av fordeling og tidsforløp av et KM i kroppen. Multi-kompartement modell: modellering av KM in vev som en dynamisk prosess (utveksling) mellom multiple vevs-rom. Dose-response: sammenhengen mellom KMkonentrasjon i vevet og målt signal-effekt i bildet. 14 Noen få viktige begreper First-pass : den første passasjen av et KM gjennom kroppen Bolus injeksjon: en rask KM injeksjon (slik at injeksjonetiden er << første-passasjetiden) Infusjon: en langsom injeksjon av KM (injeksjonstid >> første-passasjetiden) Historikk Historikk Raymond Damadian Tumor deteksjon ved hjelp av NMR Spin echo nuclear magnetic resonance measurements may be used as a method for discriminating between malignant tumors and normal tissue. Measurements of spin-lattice (T1) and spin-spin (T2) magnetic relaxation times were made in six normal tissues in the rat (muscle, kidney, stomach intestine, brain and liver) and in two malignant solid tumors, Walkers sarcoma and Novikoff hepatoma. Relaxation times for the two malignant tumors were distinctly outside the range of values for the normal tissues studied... Raymond Damadian Science 171:1151, 1971 Raymond Damadian Damadian bygger på midten av 70-tallet den første helkropps skanner og tar i 1977 det første MRI bildet av menneske kroppen

4 Dagens MR MRI i dag 19 Courtesy: Dept. of Radiology, University of Bonn, Germany 20 Muligheter Hode Hvor er dynamikken? - Diffusjon - Perfusjon - fmri - Permeabilitet Dynamisk MR Angiogenesis Normal brain vessels Brain tumor vessels (glioma xenograft) 23 Jain et al. Nat Rev Neurosci Aug;8(8):

5 ROI #1 ROI #2 ROI #3 Tracer Kinetic Model Derived from the central volume principle for intravascular tracers 1 : Volume = Flow x Mean transit time F a V t C v (t) V F = tc ( t) dt C ( t) dt v v R Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) * 2 ( t) = k C( t) = k TE SI( t) log e SI0 R 2 * MTT 1 Meier & Zieler. On the theory of Indicator-Dilution method for measurement of blood flow and volume. J Appl Physiol time 26 Dynamisk MR (DSC) Perfusjons-kart Biopsi-planlegging Blod-hjerne barriære (BBB) Dynamisk MR (DCE) ROI signal intensity gfedcb gfedcb gfedc Pixel Intensity [a.u.] capillary C( t) = K1 C ( t) e V C ( ) t 0 K2 ( t τ ) a dτ + f a t Image Number 5

6 Dynamisk MR (DCE) fmri Mapping av motorisk cortex K1 Ve Vf Diffusjons-tensor avbilding Slutt på intro Da begynner alvoret. 6