DE OEC Multimodális képalkotás az idegtudományban kreditkurzus

1. Víz: az elfelejtett molekula
Diffúziós jelenségeken alapuló
képalkotás (DWI, DTI)
Dr. Jakab András
Dr. Berényi Ervin
Multimodális képalkotás az idegtudományban
kreditkurzus 2010 (c)

2. „Az elfelejtett molekula”
Különleges tulajdonságok:
•H-kötések
•Más poláris molekulákhoz
„kötődnek” (fehérjék?)
•Felületi feszültség
•Magas hőkapacitás
•Az oxigén oldhatósága a vízben

3. „Az elfelejtett molekula”
A víz a biológiai szövetekben
Kémiai Nobel –díj 2003: Peter
Agre (aquaporins), Roderick
MacKinnon (K-csat.)

5. Víz: mérések és képalkotás?
T1 relaxációs idő
T2 relaxációs idő
Protondenzitás
Diffúziógátlás,
diffúziós
együttható
Diffúzió iránya
Diffúzió
anizotrópiája
Diffúziós
térképezés
Más atommagok
„Konvencionális
MRI”
Diffusion-
weighted
imaging
Diffusion tensor
imaging
Diffusion spectral
imaging, HARDI
MR spectroscopy

6. Diffúzió: fizikai alapok
 1827, Robert Brown
 Először: „vis vitalis”,
később szervetlen
részecskékre is kimutatta
 Véletlenszerű mozgás
 „Hőmozgás” F.M.Exner, 1900

7. A diffúzió: fizikai alapok
 1905: „a csodálatos év”
 “On a Heuristic Point of View on the Creation
and Conversion of Light”(17 March
1905)(Photo-Electric Effect) Nobel prize in
physics, 1921
 “On the Electrodynamics of Moving Bodies” (30
June 1905)
 “Does the inertia of a body depend on its
energy content?”(27 September 1905)(Theory of
Special Relativity) E = mc²
 “Investigation on the Theory of the Brownian
Movement: On the motion of small particles
suspended in liquids at rest …”(11 May 1905)
Albert Einstein, 1905 körül

8. Einstein, 1905
 A hőmérséklet molekuláris-kinetikai
elmélete: Brown mozgás <- ->
molekuláris diffúzió
RANDOM WALK
0
?

9. Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

10. Diffúzió súlyozott képalkotás
(DWI)
 Le Bihan & Breton, CRASS, 1985
 Intravoxel incoherent motion
 Képalkotás közben molekuláris
elmozdulás = az MRI jel
befolyásolása
 Térben változó mágneses tér
alkalmazása a „spin echo” MRI
képalkotás során: a hely kódolása
 Egy helyben álló vs. Mozgó
részecskék

11. Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

12. Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

13. Diffúzió súlyozott képalkotás képi
kontrasztja
 Ha a vizsgálat közben elmozdulnak a
részecskék: kisebb jel keletkezik
 Ha lassú a diffúzió, magasabb jel
(„több marad a vizsgált területen”)

14. DWI képalkotás: amit tudni
illik Diffúzió súlyozás nagysága (b-faktor)
◦ Defókuszáló, refókuszáló gradiens nagysága (erősség,
alak)
◦ Időtartama, szimmetria, időbeli eltérés
◦ Diffúzió kódoló grádiens térbeli iránya! (-> DTI!)
◦ Mit tudunk meg a DWI képekről?

15. DWI alkalmazása
 Diffúziógátlás: sejtpusztulás, membránintegritás,
energiaellátottság
 Korábban, mint a „strukturális” eltérés (T1 v. T2-n)
 Diffúzió és perfúzió alkalmazása: stroke imaging,
penumbra meghatározása (ischaemiás stroke:
elzárt agyi ér)
DWI: működnek a sejtek???Perfúzió: kapnak vért a

16. Miért különleges a szöveti
diffúzió? A tér különböző irányába eltérő nagyságot
mutat = anizotróp
Forrás: Karla Miller, FMRIB, University of Oxford

17. Milyen diffúzió létezik?
 Szabad diffúzió (izotróp)
 Gátolt diffúzió („restricted”)
 Akadályozott diffúzió („hindered")

18. Diffúziós irány megjelenítése
 A biológiai diffúzió anizotróp, a tér egyes irányába eltérő diffúziós
együtthatót mutat.
 A diffúzió-súlyozó mágneses tér „irányában” legnagyobb a nagysága
Herpes encephalitis
forrás:
emedicine.medscape.com
Egészséges agy
ACA stroke
forrás: RADsounds Wiki

19. Diffúziós tenzor (?)
képalkotás Sokféle irányú diffúzió súlyozó grádiens = „sok irányból
megvizsgáljuk a diffúzió nagyságát”
Peter Basser (NIH)
TENZOR:
a megjelenítés
kulcsa

20. A „diffúziós térképezés”
diffúzió súlyozott felvételek
készítése
voxelen belüli diffúzió térbeli
karakterisztikája
tenzor illesztés a diffúzió
jellemzésére
A tenzoriális információ ábrázolása
szürkeskálás v. egyéb skaláris képeken

21. Mi szükséges a diffúziós tenzor
képalkotáshoz?
-Több irányú diffúzió súlyozó
grádiens alkalmazása a
képalkotás (SS EPI) során
- legalább 6 irány
- ajánlott: 24-32 irányból
- a kapott sokdimenziós
adathalmaz számítógépes
feldolgozása, színkódolt és
egyéb számolt képek
- együttes megjelenítés más
képalkotó módszerekkel

22. Mit tudunk mérni a DTI-vel?
 DIFFÚZIÓ NAGYSÁGA (hasonlóan a DWI-hez): ADC
 Diffúzió rendezettsége, anizotrópia mértéke (FA)
 Diffúzió iránya (Color encoded map)
 Diffúzió nagysága az axonlefutással egy irányban (parallel
diffusivity)
 Diffúzió nagysága az axonlefutásra merőlegesen (perpendicular
diffusivity)

23. Fehérállomány: mit tudunk mérni a DTI-
vel?
Anizotrópia ++ Anizotrópia +
Anizotrópia -
Diffúzió -
Anizotrópia - -
Diffúzió ? / n
Anizotrópia - -
Diffúzió - -

24. Diffúziós traktográfia
 Tract = pálya
 Diffúziós tenzor adatok alapján a fehérállományi pályák
háromdimenziós megjelenítése
 Agyi összeköttetések (?)
 Számítógépes adatfeldolgozás és megjelenítés

26. Diffúziós traktográfia: példák
 Tractus corticospinalis megjelenítése

27. Diffúziós traktográfia: példák
 Egyéb pályák megjelenítése

28. Right handed Left handed
NeuroImage 35 (2007) 1064–1076
Fasciculus arcuatus megjelenítése: jobb és balkezesek esetén

31. Konnektivity (c) Jakab A.

32. A diffúziós tenzorokon túl…
 A diffúzió irányának pontosabb feloldása = HARDI (high angular
resolution diffusion imaging)
 Diffúzió súlyozó grádiensek akár 50-200 irányból is
 A rostlefutás pontosabb ábrázolása: crossing fibers esetén
 ODF, Q-ball, Diffusion spectral imaging, etc.

35. DTI és a multimodalitás
 DTI és más, pl. strukturális MRI képek együttes megjelenítése
 Térbeli illesztés, koregisztráció szükséges
 TÖBBLETINFORMÁCIÓ: fehérállományi képletek

36. ÖSSZEFOGLALÁS A MÓDSZEREKRŐL
 T1, T2-súlyozott MRI: a hidrogén protonok
relaxációs ideje a szöveti környezettől függően
 Diffúzió súlyozott MRI (DWI) : a diffúzió
nagysága, irányultság nélkül
 Diffúziós tenzor MRI (DTI): a diffúziós iránya,
anizotrópiája
 Traktográfia: pályák lefutása
 Diffusion spectrum imaging (DSI): diffúzió térbeli
karakterisztikája, egy térrészen belüli többszörös
rostpopulációk megjelenítése
 A DTI és egyéb módszerek adatait kombinálni
lehet más képalkotó módszerekkel (T1 MRI, CT,
PET, stb.)

37. DTI: Klinikai példák,
felhasználás

38. DTI alkalmazásai 1.
 Fehérállomány strukturája
◦ Egészséges fejlődés megjelenítése :
megvan-e mindene??
◦ Tumorok által széttolt, stb. pályák =
anatómia
 Szöveti integritás
◦ Demyelinisatio (Sclerosis multiplex)
◦ Axonális károsodás: Wallerian
degeneráció
◦ Oedema (nem specifikus)

39. DTI a neuroonkológiában
• DTI szerepe a tumorok képalkotó
diagnosztikájában
– FA csökkenése: fehérállomány tumoros infiltrációja /
citotoxikus oedema
– Tumor FA: cellularitás, proliferációs aktivitás
– „current literature”:
• Frakcionális anizotrópia: Cellularitás és proliferációs aktivitás (MIB-2)
• MRS és DTI: Proliferációs aktivitás (Ki-67)
• FA: Low grade vs. Anaplasticus glioma
• ADC hisztogramok: 1p/19q l.o.h. oligodendrogliomákban
• „Oligo-like” és „astro-like” komponens megjelenítése
• ADC hisztogram: Terápiás válasz (Bevacizumab), progressziómentes időtartam becslése
– fehérállományi képletek megjelenítése kolorizált FA
képeken, ezek helyzete a tumorhoz
– FEJLŐDŐ TUDOMÁNYÁG, ALAPKUTATÁS SZEREPE!

41. mean FA: 0.1887
mean ADC(x1k): 1.4791

42. DTI a neuroonkológiában
A. Jakab, M. Emri, P. Molnár, E. Berényi.
Glioma grade assessment by using
histogram analysis of diffusion tensor
imaging-derived maps. Neuroradiology.
2010 Sep 21.
Az agytumor grádusa:
Alacsony? (WHO I-II)
Magas? (WHO III-IV)

43. DTI: klinikai példák
• Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography:
Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

44. • Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography:
Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

46. • Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography:
Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

47. • Forrás: Nucifora et al. (2007) Diffusion-Tensor MR Imaging and Tractography:
Exploring Brain Microstructure and Connectivity. Radiology. 245, 367-384.

48. • Forrás: Lee et al. Diffusion-Tensor MR Imaging and Fiber Tractography: A New
Method of Describing Aberrant Fiber Connections in Developmental CNS Anomalies
Cerebral palsy in a 20-month-old girl with
spastic hemiplegia.

49. • Forrás: Berényi E, JakabKisgyermek, epilepsiás rohamok

50. Ohdo syndroma

51. DTI: Érdekességek

54. NeuroImage 37 (2007) S109–S115
STN és DTI

56. Convection Enhanced Delivery

58. Köszönöm a figyelmet!