Arvid Lundervold: Introduksjon til MRI
Arvid Lundervold: Introduksjon til MRI
Arvid Lundervold: Introduksjon til MRI
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
C( x − Δx,<br />
t)<br />
C ( x,<br />
t)<br />
C( x + Δx,<br />
t)<br />
FL FR<br />
MED1NEVRO Aging – cognition, / BMED251 imaging and genetics | 15. mai 2012<br />
Visualisering av<br />
sentralnervesystemet (CNS)<br />
<strong>MRI</strong> - fra nano <strong>til</strong> makro<br />
Prof. dr. med <strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong><br />
Laboratorium for nevroinformatikk og bildeanalyse<br />
Institutt for biomedisin<br />
D xx D xy D xz<br />
D yx D yy D yz<br />
D zx D zy D zz<br />
arvid_lundervold_introduksjon_<strong>til</strong>_mri_20120515.pptx<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Organisme<br />
Organ<br />
Vev<br />
Musculo-skeletal system<br />
Circulatory system<br />
Respiratory system<br />
Digestive system<br />
Nervous system<br />
Urinary system<br />
Reproductive system<br />
Endocrine system<br />
Lymphoidal system<br />
Celle<br />
Muscle tissue<br />
Nerve tissue<br />
Connective tissue<br />
Epithelial tissue<br />
Blood<br />
Organelle<br />
“Grand challenges” i beregningsorientert biologi/medisin:<br />
Fler-skala avbildning og -modellering<br />
Mitochondria<br />
Nucleus<br />
Endoplasmic<br />
reticulum<br />
Cell membrane<br />
Protein<br />
DNA<br />
”Physiomics”<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Et hjerne-preparat<br />
<br />
<br />
<br />
Den levende, intakte hjerne<br />
avbildet med <strong>MRI</strong><br />
Siemens Vision plus<br />
Haukeland University Hospital<br />
512 x 512<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Intervensjons-<strong>MRI</strong><br />
Åpen magnet<br />
Minimalt invasiv terapi<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
<strong>MRI</strong> prinsipper ...<br />
Resonans<br />
z<br />
x<br />
B 1 !<br />
RF!<br />
ω<br />
M(t)!<br />
sende/<br />
motta<br />
y<br />
Magnetisk<br />
ADC<br />
ms<br />
B 0 !<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
••••••••••••••••<br />
Rådata<br />
K-space<br />
Fourierrommet<br />
2D FFT<br />
Imaging<br />
tomografi<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong><br />
<strong>MRI</strong> ...<br />
Pulssekvenser<br />
Bilde<br />
rekonstruksjon<br />
Kontrast-<br />
mekanismer<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
k x<br />
k y<br />
m<br />
n<br />
O<br />
H<br />
A -<br />
H<br />
B 0 !<br />
vann-protoner<br />
i cellulært miljø<br />
eksperimentelll manipulasjon<br />
av proton-spinn populasjoner<br />
Fourier transform<br />
( 2D FFT )<br />
Vi avbilder::<br />
gjennom:<br />
ved bruk av:<br />
for<br />
ω<br />
ω
Roterende magnetfelt M xy (t) induserer strøm i en spole …<br />
B 0<br />
FID = Free Induction Decay<br />
M xy (t)<br />
Strøm (A)<br />
Spole / Antenne<br />
Indusert signal<br />
(FID)<br />
Tid (ms)<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
<strong>MRI</strong> – en familie av ulike måleteknikker / pulssekevenser (multimodal <strong>MRI</strong>)<br />
Fourier coding<br />
k-space<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
STØY i MR-bilder Signal-to-Noise Ratio (SNR) & k-space midling av multiple akkvisisjoner (NAC)<br />
” 10 sek ”<br />
NAC = 1 NAC = 9<br />
NAC = 36<br />
NAC = 81 NAC = 144<br />
NAC = 324<br />
” <strong>Arvid</strong> 10 <strong>Lundervold</strong> min”
Multispektral / multimodal <strong>MRI</strong><br />
Proton-vektet T1-vektet T2-vektet<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
OpenViz<br />
Multispektral 3D <strong>MRI</strong><br />
FLASH DESS FISP<br />
T1-vektet T2-vektet -vektet<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Vevs-segmentering<br />
Trenings-områder for<br />
vevsspesifikk parameter-estimering<br />
For hvert voxel i :<br />
Beregn P (vevstype | data)<br />
[ GM ] [ WM ] [ CSF ]<br />
Grå substans Hvit substans Cerebrospinalvæske<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Objekt<br />
(PASIENT)<br />
Mønstergjenkjenning / statistisk klassifikasjon<br />
Måleverdier<br />
(eng. “feature vector”)<br />
Måling<br />
sensor, scanner<br />
Egenskapsrom<br />
(eng. “feature space”)<br />
R 3<br />
Egenskap1<br />
x 1<br />
(eng. “pattern recognition”)<br />
x 3<br />
x<br />
Egenskap 3<br />
Mønstergjen-<br />
kjenning system<br />
x=(x 1 ,x 2 ,x 3 )<br />
x 2<br />
Egenskap 2<br />
Klasser /<br />
”diagnoser”<br />
1!<br />
2<br />
….<br />
<br />
(x) = i!<br />
Klassifikasjonsregel<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
muskel luft<br />
F<br />
L<br />
A<br />
S<br />
H<br />
F<br />
I<br />
S<br />
P<br />
luft<br />
mus<br />
fett<br />
csf wm gm<br />
fett<br />
gm<br />
wm<br />
D E S S<br />
csf<br />
F L A S H<br />
Vevs-spesifikk fordeling av <strong>MRI</strong> signalintensiteter<br />
# 1<br />
# 2 # 3 # 4<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
wm<br />
gm<br />
luft<br />
fett<br />
csf<br />
muskel<br />
NN<br />
Vevs-klassifikasjon subject #1 slice 55<br />
FLASH<br />
NN LVQ<br />
ML MRF<br />
NN = Nearest Neighbour LVQ = Learning Vector Quantization<br />
ML = Maximum Likelihood MRF = Markov Random Field<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
# 1<br />
NN<br />
Visualisering av ulike vev og hjernestrukturer<br />
Sag.<br />
Axi. Cor.<br />
Vol (wm) = 511 ml<br />
Hvit substans (NN) 794 ml<br />
Sideventrikler (NN) 24 ml<br />
3D sammenhengskomponent<br />
# 2<br />
3D conn.comp.<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
f<strong>MRI</strong> flikkerlys<br />
Cand.scient.<br />
Pål Magne Hisdal<br />
UiB (VTK)<br />
Visualisering basert på segmentering<br />
stimulering ved 8 Hz<br />
Bildeopptak på<br />
Haukeland sykehus<br />
Siemens Expert 1.0 T<br />
MR scanner<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Hjerne-morfometri fra T1-vektet 3D <strong>MRI</strong><br />
http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/<br />
Hjernebarkens overflate<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Flate-modell (triangularisering / ”mesh”)<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Kart over hjernebarkens tykkelse [mm] (sett fra lateral-siden)<br />
mm<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Kart over hjernebarkens tykkelse [mm] (sett fra medial-siden)<br />
mm<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Anatomisk navngivning av de ulike farge-kodete barkområder<br />
Pars<br />
triangularis<br />
Lateral orbitofrontal<br />
Pars-<br />
opercu-<br />
laris<br />
Supra-<br />
marginal<br />
Middle temporal<br />
Inferior temporal<br />
Superior<br />
parietal<br />
(sett fra lateral-siden)<br />
Inferior<br />
parietal<br />
Lateral<br />
occipital<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Anatomisk navngivning av de ulike farge-kodete barkområder<br />
Lateral<br />
occipital<br />
Cuneus<br />
Lingual<br />
Fusiform<br />
Posterior<br />
cingulate<br />
CC<br />
Para-<br />
hippocampal<br />
Entorhinal<br />
CC<br />
Medial orbitofrontal<br />
(sett fra medial-siden)<br />
Temporal pole<br />
Frontal<br />
pole<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Hippocampus segmentering<br />
Subject Fp06: Hippocampus coronally projected on slice 110<br />
50<br />
100<br />
150<br />
200<br />
250<br />
50 100 150 200 250<br />
Subject Fp06: Hippocampus axially projected on slice 111<br />
(hippocampus er sete for episodisk hukommelse)<br />
50<br />
100<br />
150<br />
200<br />
250<br />
50 100 150 200 250<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Multispektral analyse<br />
PD T2 FA RGB (e 1x ,e 1y ,e 1z )<br />
Fiber tracking (DTI-Studio)<br />
gcc<br />
Anderlik et al, ICAD 2006<br />
ADC mean<br />
13 13 13 13 13<br />
scc<br />
plic<br />
13<br />
Subcortical<br />
( RL = 16.4 o )<br />
Cortical parsellering (FreeSurfer)<br />
85<br />
fs501<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Hjernens anatomi - hvit substans<br />
myeliniserte fiberbaner for rask informasjonsoverføring<br />
Synsnerve-<br />
krysnimngen<br />
Synsstrålingen<br />
Vanndiffusion i<br />
isotrope strukturer<br />
Vanndiffusion i<br />
anisotrope strukturer<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Fiber tracking ( fra DTI opptak )<br />
Prinsipal diffusjonsretning som 3D vektorfelt<br />
Hjernens konnektivitet<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Diffusjon tensor avbildning (DTI) og<br />
frems<strong>til</strong>ling av fiberbaner (traktografi)<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Hjernens blodkar, blodstrøm, og perfusjon<br />
MR angiografi (MRA)<br />
3D <strong>MRI</strong> data<br />
Modellering og simulering av ”drug delivery” (Kocinski)<br />
I samarbeid med Dr. Marek Kocinski, Technical University of Lodz, PL<br />
The 3D vascular model<br />
Kompartment-modellering av vaskulær lekkasje<br />
under antagelse om diffusiv og konvektiv transport<br />
Bolus injeksjon<br />
Blodkar-<br />
segmentering<br />
model_ns_br_br20051127_6_permT_closed_Outflows.avi<br />
COMSOL<br />
Multiphysics<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
F<strong>MRI</strong>.avi<br />
f<strong>MRI</strong> eksperiment med visuelle stimuli ...<br />
Objekt-gjenkjenning<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Voxler (volum-elementer) og ders innhold i f<strong>MRI</strong> hjerneavbildning<br />
Ulike skalaer:<br />
5 mill. nerveceller<br />
50 millrd. synapser<br />
250 km nerveutløpere<br />
Vev (hjerne-parenkym)<br />
Celler og blodkapillærer<br />
Vannmolekyler / protoner<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>
Hvilke kilder bidrar <strong>til</strong> det målte f<strong>MRI</strong>-signal i hvert voxel?<br />
Oppgaven<br />
Maskin-støy<br />
ICA – Independent Component Analysis<br />
Målt signal<br />
Aktivering som ikke<br />
er relatret <strong>til</strong> oppgaven<br />
(f.eks. grad av årvåkenhet)<br />
Pulsasjoner (hjerte-rytme)<br />
Antagelse: varierende romlige aktiveringsmønstre fra de ulike<br />
kilder er statistisk uavhengige og ikke normalfordelte<br />
<strong>Arvid</strong> <strong>Lundervold</strong>