Neurokognitywistyka WYKŁAD 5 Nowe metody badawcze

Transkrypt

1 Neurokognitywistyka WYKŁAD 5 Nowe metody badawcze Obrazowanie anatomii i patologii mózgu metodą MRI (Magnetic Interference Resonance). Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego

2 Obrazowanie magnetycznorezonansowe 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.

3 Tomograf MRI Największą częścią aparatu MRI jest ogromny i bardzo silny elektromagnes o polu stałym (w badaniach ludzi Tesla). Ponadto w jego skład wchodzą elektromagnesy pomocnicze oraz zestaw czujników promieniowania 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.

4 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.

5 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.

6 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 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 Jak wynaleziono obrazowanie magnetyczno-rezonansowe? 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.

11 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.

12 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) moment pędu (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.

13 Podstawą zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest oddziaływanie magnetycznych spinów jądrowych z zewnętrznymi polami magnetycznymi

14 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 pole magnetyczne, 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).

15 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.

16 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 równowagi termodynamicznej 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 zaobserwować eksperymentalnie w stałych warunkach.

17 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 wyprowadzenie magnetyzacji 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.

18 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.

19 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 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.

20 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.

21 Budowa aparatu MRI Zewnętrzną część aparatu MRI stanowi cewka główna, wytwarzająca stałe pole magnetyczne o dużym natężeniu (B 0 ). Wewnątrz są cewki wytwarzające zmienne pole magnetyczne (B 1 - B 3 ) w trzech prostopadłych kierunkach, oraz czujniki (rejestratory). Czujniki (niebieskie) wykrywają emitowane sygnały.

22 Aparatura MRI: Elektromagnesy i elektronika

23 Schemat rejestracji MRI Za pomocą wirującego pola B 1, znacznie słabszego od stałego pola B 0 i przesuniętego w fazie o 90 0 możemy zmieniać kierunek wektora magnetyzacji cząsteczek elementarnych, pod warunkiem, że prędkość kątowa wektora B 1 jest równa prędkości kątowej Magnes stały tomografu o indukcji 1,5T (Tesla) wytwarza pole magnetyczne ok razy silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego. Do celów badawczych używa się aparatów o sile 3-12T. precesji cząsteczek. Emitowany sygnał relaksacji jest bardzo złożony i musi zostać poddany obróbce za pomocą specjalnych programów komputerowych.

24 Rejestracja MRI Badany obiekt umieszczany jest w silnym stałym polu magnetycznym, wytwarzającym siłę przyciągania około 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).

25 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.

26 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 pól składowych: - 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.

27 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

28 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

29 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 są znane, 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.

30 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 wodoru występujące 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.

31 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 zawartością wody 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 istocie białej, oraz obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. DWI diffusionweighted imaging), które skutecznie obrazuje zakres patologii po udarach mózgu.

32 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.

33 Czasy relaksacji T1 i T2 dla różnych tkanek

34 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

35 Wynik obrazowania MRI: rekonstrukcja obrazu przekroju przez głowę żyjącego człowieka

36 Przekształcenia serii przecięć, trójwymiarowe wizualizacje Seria skanów mózgu w linii strzałkowej Rekonstrukcja przebiegu naczyń mózgu

37 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.

38 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.

39 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.

40 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.

41 Komputerowe atlasy mózgu MRI Prof. Wiesław Nowiński 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 Obecnie jest profesorem UKSW. Chce tworzyć atlasy komputerowe wszystkich narządów ciała.

42 Pytanie 1. Jak powstają i do jakich celów służą rejestracje magnetycznego rezonansu jądrowego (MRI)