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Magnetic Resonance Imaging: Diversity of Contrast

Stéren CHABERT

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Contenidos

• Formación de Imágenes con Resonancia Magnética (RM)

• Variedad de Contrastes obtenidos con RM• Imágenes anatómicas• Imágenes funcionales• Imágenes intervencionales

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Formación de Imágenes

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Pasos

Polarización Excitación

LecturaReconstrucción

k-space imágen

FFT-1

5

Estado natural de los spins• spin : momento angular característico de una partícula• Mayor interés en RM : el núcleo del hidrógeno

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Polarización

7

Polarización• El porcentaje de spins que se alinean con el campo, depende de

su intensidad

• 1 Tesla = 10 000 GaussCampo magnético de la tierra ≈ 0.5 Gauss1.5 T ≡ 30 000 veces el campo de la tierra

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Excitación

02 Bf

• B1: campo magnético rotatorio a la frecuencia f de Larmor, específica de los spins a excitar (gyromagnetic ratio )

Núcleo Spin (MHz/T)

H 1/2 42.58

“Pulso Radio Frecuencia” (RF)

• Ángulo de nutación de la magnetización global

duración y amplitud de B1.

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Lectura

10

RelajaciónRelajación transversal T2

(spin-spin)

Relajación longitudinal T1

(spin-lattice)

)(1

21

0yyxxz

z MMTT

MM

dt

duuuBM

M

(ecuación de Bloch)

T2T1

11

Contraste

Tejido T1 a 1.5T [ms]

T1 a 0.5T [ms]

T2 a 0.5T [ms]

Músculo 870 600 47

Hígado 490 323 43

Riñón 650 449 58

Bazo 780 554 62

Grasa 260 215 84

Materia Blanca 920 656 101

Materia Gris 790 539 92

Líquido Cerebroespinal

>4000 >4000 >2000

Pulmón 830 600 79

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Lectura

• Inducción de una corriente en la bobina receptora, que corresponde a la información de TODOS los SPINS, en todo instante de tiempo!

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Excitación selectiva

Pulso RF + gradiente de campo magnético

“gradiente de selección de slice” (Gss)

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Codificación espacial: en frecuencia

• Aplicación de gradientes de campo magnético según

una dirección (Gfreq)

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Codificación en fase

• Gradientes de campo magnético según una segunda dirección (Gfase)

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Reconstrucción

kkr k.r 32)()( deS i

Espacio-k Imagen

IFFT

Espacio k imágen

FFT-1

t

dtt0

')'(2

Gk

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Describir el espacio k

t

dtt0

')'(2

Gk

1818

De qué depende la señal

• B0

• Parámetros de acquisición

• Resolución espacial

• Método de acquisición, número de repeticiones, etc.

kTBh 0exp ionMagnetizac

z)yx( voxel del volumen S

1919

Magnet

2020

Coils

“Birdcage”

Transmit / ReceiveSurface / Volume

2121

Adquisición paralela

• Usando un conjunto de N bobinas

• Codificando la señal con la sensibilidad de cada una

(Pruessmann 1999)

Eimm valores aliados

E matriz de codificación

i valores “reales”aceleración de la adquisición

2222

El mayor peligro de la RM

2323

2424

En perspectiva1946

Bloch & Purcell, fenómeno de RMN (premios Nobel 1952)

1973Primera imágen con RM – Lauterbur (premio Nobel 2003)

1975 Fourier en RM - Ernst (premio Nobel 1991)

1976Primera imágen de RM en vivo – Mansfield  (premio Nobel 2003)

En el año 2003, habían aproximadamente 10 000 resonadores en todo el mundo y

se hicieron cerca de 75 millones de exámenes

1983 Resonador comercial de cuerpo completo

1988 Angiografía con RM

1992 fMRI1er resonador de cuerpo entero

Damadian 1977

2525

Resonadores abiertos

2626

Intervencional

Hitachi, 0.3 T

Philips, 0.23 T

2727

Resonadores de extremidades

ONI, 1T

Fonar, 0.6T

2828

¿Portátil?

2929

Resonador de campo pre-polarizado• Imágenes con el campo terrestre 0.5 mT (Magritek)

3030

Equipamiento actualCampo más fuerte (cuerpo entero)Magnex 9.4 T – Universidad de Minnesota

3131

Tendencia

• # Instalación / año– > 2000 de 1.5 T– 600 de < 0.5 T– 200 de 3 T

(Haase, ISMRM 2006)

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Gran diversidad de contraste

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Diversidad de contraste• Intrínseco: contraste T1, T2 o densidad protónica

3/12/2004

The Whole Brain Atlas

http://www.med.harvard.edu/AANLIB/home.html

T1 T2 PD

34

Buena información anatómica Imagen de referencia anatómica

Distintos procesamientos posibles a partir de la anatomía

3/12/2004

T2 + CBF

www.brainvisa.info

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Más contraste: con agente de contraste

3/12/2004

• Gadolinio, compuesto paramagnético, acorta el T1 hiperseñal

• restringido en el compartimiento vascular

• Superparamagnetic Iron Oxide (SPIO)lesiones hepáticas

Philips

Kim 2004

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Angiografía

3/12/2004

Philips,Dr. Tomala

Scan time < 3 min

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Posible cuantificación• Perfusión

irrigación de los tejidos

• bolus-contrast tracking• Perdida de señal en imágenes T2

(T2*)

Cerebral Blood Volume (CBV) Cerebral Blood Flow (CBF)MTT (Mean Transit Time)

Stroke, tumors, etc

3/12/2004

38

De lo más grande …

Philips Mobitrak

3/12/2004

Coronal 8 min

Sagital 3 min

Axial 5 min

39

Cuerpo entero

3/12/2004

Philips Mobitrak

40

…hacia lo más fino…

3/12/2004

MRI Chile

41

…o lo más pequeño…

• Vessel wall:

• Pared de los veseles coronarios en seres humanos

3/12/2004

Botnar 2001

• Reconstrucción 3D de la bifurcación de la carótida

Long 2003

(0.78 x 0.78 x 1 mm3

total imaging time 15 min)

(0.625 x 0.625 x 1 mm3

total imaging time 10 min)

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…aún más pequeño…

• Cell labeling

• Agente de contraste ultra pequeño ( nm) dextran-coated iron oxide particles (USPIO)

• Superparamagnético distorsiona el campo magnético a un nivel mucho más grande que su propio tamaño

detección de receptores monitoreo de migración de células

3/12/2004

Shapiro 2004

43

…y hacia lo más invisible• Pulmón• Inhalación de gases

hiperpolarizados (He3)

3/12/2004

Wild 2004(1.7 x 3.8 x 4 mm3)

44

De lo más estático …• Huesos

– Difícil : poca señal disponible

– Distintos métodos Bone Mineral Density

(BMD)– ¡No irradiante!

3/12/2004

Kose 2004

Philips 2004(T1 – 2 min)

45

…hacia lo más movil

• Corazón– Cine imaging– Posibilidad de estudiar la función

cardíaca– Posible cuantificación:

• Tamaño de las paredes• Velocidad de flujo• etc

– Patologías de las válvulas

3/12/2004

(2.42 x 2.52 mm2

32 frames/s)

Tsao 2003

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Lo móvil a nivel microscópico• Imágenes de difusión

– Movimiento aleatorio de las moléculas

– Exploración de la micro-estructura de los tejidos

3/12/2004

DbeSS .0

cuantificación

tiempodDtR 22

Le Bihan 2003

47

Difusión: información multi-direccional

3/12/2004

T1 Mean Diffusivity

AnisotropíaDirección principal

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Difusión

3/12/2004

• Esclerosis múltiple (Assaf 2002)• Enfermedad de Alzheimer (Hanyu 1997)• - de Creutzfeld-Jakob (Bahn 1999)• Tumores cancerígenas (Le Bihan 1993)• Maduración del cerebro (Neil 2002)• Estudio de los mecanismos de recuperación de la espina dorsal (Bonny 2004)

(Poupon 2000)

« Tracking » de fibras de materia blanca

Accidente Vascular Cerebral

MRI convencional Difusión

(Willinek 2003)

49

Difusión: distintas estructuras

3/12/2004

Ries 2001

anisotropía MD

RiñónEspina dorsal

Ries 2000

DWT2

50

Difusión: entender el desarrollo del cerebro

3/12/2004

Dubois 2004Neil 2002

51

Hacia la medida de la función del cuerpo

• Espectroscopía– Hay mucho más que el H del agua

– Según su entorno electrónico, la frecuencia de resonancia de los compuestos va a cambiar

cuantificación

3/12/2004

Nuclei Net Spin   (MHz/T) 1H 1/2 42.58

2H 1 6.54

31P 1/2 17.25

23Na 3/2 11.27

14N 1 3.08

13C 1/2 10.71

19F 1/2 40.08

frecuencia

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Espectroscopía: imágenes metabólicas

• Hacia una comprensión de las patologías neurodegenerativas, del ciclo energético de la activación neuronal

• Caracterización posible de gliomas

3/12/2004

T1 + gado (@1.5 T)T2 (@3 T)

Rabinov 2002

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Functional MRI

3/12/2004

Anatomía Funcionamiento

54

BOLD effectBlood Oxygen Level Dependant

(BOLD)

• Durante la actividad neuronal consumo de oxígeno flujo sanguino razón de hemoglobina

oxigenada / desoxigenada• Hb desoxigenada: paramagnética

señal durante la actividad neuronal

3/12/2004

Ciuciu 2004, www.madic.org

haemodynamic response function (HRF)

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Mapas de activación• Problemas

– “lento” (proceso 1 – 2 s)– “borroso” ( 1 -- 2 mm3)– Relación precisa entre señal

BOLD y actividad neuronal todavía no definida

• Pero herramienta preciosa

– Ciencias cognitivas– Siquiatría– Pre-operatoria

3/12/2004

Pallier 2002

Estudio de comprensión del lenguaje

56

MRI intervencional: guiding and monitoring

• Resonadores abiertos MRI intraoperatorio

• Aplicaciones• MR-Guided Biopsy• MR-Guided Vascular Interventions • MR-Guided Neurosurgery

• Combinación con otras técnicas• MR-Guided Focused Ultrasound• MR-Guided Microwave Therapy of the Liver

3/12/2004

Nimsky 2004

57

MRI intervencional

3/12/2004

Siemens (Konig)

MRI guided bone biopsy

Siemens (Gellermann)

MRI temperature mapping

58

¿Y por qué siempre el cuerpo humano?

3/12/2004

MRI Chile

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En resumen

• Resolución: temporal 100 ms /imágenespacial ½ -- 1 mm

• No invasivo• Múltiples contrastes, en la totalidad del cuerpo

• Inaccesible para algunos pacientes (pacemaker, implantes ferromagnético, etc)

• Para algunas aplicaciones: información con menor señal que otra modalidad de imagen (huesos vs. rayos X)

• Costo aún elevado

3/12/2004

++

- -

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De donde venimos…1946

Bloch & Purcell, fenómeno de RMN (premios Nobel 1952)

1973Primera imágen con RM – Lauterbur (premio Nobel 2003)

1975 Fourier en RM - Ernst (premio Nobel 1991)

1976Primera imágen de RM en vivo – Mansfield  (premio Nobel 2003)

3/12/2004

En el año 2003, habían aproximadamente 10 000 resonadores en todo el mundo y se hicieron cerca de 75 millones de exámenes

1983 Resonador comercial de cuerpo completo

1988 Angiografía con RM

1992 fMRI

1er resonador de cuerpo entero

Damadian 1977

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…y hacia donde vamos• Mejorar las máquinas

• Aumento de la comodidad (ruido, claustrofobia, etc)• Resonadores Magnéticos de bajo costo• Combinación con distintas técnicas (EEG + MRI, etc)• Alto Teslaje (básicamente más señal mejor resolución, etc. PERO …)

• Necesidad de mejorar al mismo tiempo las adquisiciones en sí mismas

• Disminuir los artefactos• Exploración de nuevos contrastes• Determinación de las relaciones precisas de los contrastes ya existentes• Imágenes en tiempo real• Post procesamiento

• Ampliar las aplicaciones• Patologías• Mejor conocimiento del cuerpo humano

3/12/2004

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MRI de Alto Teslaje

Magnex 9.4 T – Universidad de Minnesota

3/12/2004