Øystein Bech Gadmar

Seksjon for diagnostisk fysikk, IVS OUS

MR-spektroskopi

1)

2)

3)

4) 1–3 kan manipuleres (tider, RF, gradienter)

for posisjonskoding og signalkontrast!

– 4

1)

2)

3) Transvers nettomagnetisering

preseserer og gir signal ved res.frekv.

1)

2) RF ved resonansfrekvensen

flipper spinnene (i fase).

MRI på 1 – 2 – 3

figurer fra simplyphysics.com

1) Magnetfeltet opplinjerer

kjernespinn (1H).

1)

2)

3) Frekvensretning kodes med gradient

under utlesning av signalet.

1)

2) Fasesteg kodes med ulik gradientstyrke

for hvert av mange opptak i et bilde.

Posisjonskoding på 1 – 2 – 3

1) Snitt kan selekteres med gradient og RF

under eksitasjon.

1)

2)

3) Avansert vekting:

– Diffusjon; flyt

– Magnetisk (blod; spektra)

– osv. osv. osv.!

1)

2) T2(*)-kontrast:

Tap av fasekoherens. T2* < T2 < T1.

Bildekontrast på 1 – 2 – 3

1) T1-kontrast: Ulike vev mister RF-energien

til omgivelsene med ulik hastighet.

MR-scannerens anatomi

Jody Culham; Joe Gati

Magnet Gradienter MottakerspoleRF-spole

Elektronikk

MR er en spektral teknikk

Larmorligningen:

f = B0

for 1H er = 42.58 MHz/T

Feltstyrke (T)

Reso

nan

s fo

r 1 H

(MH

z)

127.7

63.9

1.5 3.0

NRK P2

90.1

2.1

42.6

1.0

Elektronene skjermer

for magnetfeltet:

Blokal = (1- σ)B0

Dette muliggjør MR-

spektroskopi! B0

σ B0

Variasjoner i B0: Skjerming

Skjerming og elektroner

• TMS 1H har kjemisk skift ≡ 0 ppm (std. i NMR)(lite polare bindinger → stor skjerming)

• H2O1H har 4.7 ppm (måles i MRS)

(elektronegativt O drar e- fra 1H → lite skjerming)

TMS

H2O

Si

H C

(N)MR-spektrum

• Dette måles best i et NMR-spektrometer

• MR-skanneren kan det også: MRS!

• Vi ser p+-spinn i molekylene, påvirket av e–

• Spekteret forteller om omgivelsene til ulike p+(1H)

MRS – en annen modalitet?

MRI MRS

Skannerens rolle Radiometer Spektrometer

Kontrast T1/T2/diff etc Areal/amplityde

Partikkel p+ p+ ← e–

Vekselvirkning WFS (p+ ← e–) J (p+ ← e– ← p+)

Frekvens Koding 1 retn Spektrum

Fase Koding 1–2 retn Koding 0–3 retn

Seleksjon Snitt/slab 3D-voksel

(PRESS/STEAM)

Kreatin

• Cr/P-Cr er i ATP-metabolismen

• Ofte er Crtot konstant

• (Livsmarkør)

• MS-plakk: Cho/Crtot ↑

• (Kan bli borte i tumor)

• Borte i abscess

• (3.03 ppm)

• Skille Cr og P-Cr:31P-MRS

Timo Schirmer, GE

Cholin

• I lipidmetabolismen: P-Cho, GlycOH-P-Cho...

• I Acetyl-Cho (nevrotransmitter)

• Tumor: Ofte ↑

• Kreftterapi: ↓

• Epilepsi: ?

• Betennelse

• (3.23 ppm)

Timo Schirmer, GE

Acetyl-Cho

P-idyl Cho

N-acetyl-aspartat (NAA)

• Finnes i nevroner; nevronalmarkør(?)

• Infarkt/inflammasjon: ↓ (temp.)

• Alzheimer: ↓

• MS: ↓

• Tumor: Ofte ↓

• (2.03 ppm)

• Cho/NAA!

Timo Schirmer, GE

Laktat

• Fra anaerob glykolyse

• Ikke normalt målbart

• Ischemi: ↑

• Tumor: Iblant ↑

• Abscess: ↑

• Akutt migrene: ↑

• Mitokondriesykdom: ↑

• (1.30 ppm)

• J-kopling (dublett); TE 144 ms for 180°

Timo Schirmer, GE

J-kopling

• 1H merker hverandres B-felt: ΔB → Δν (frekvens)

• Effekten av p+ på effekten av e– på effekten av p+ ☻

• Binomialfordelt finsplitt (1:1 – 1:3:3:1 – 1:4:6:4:1 etc)

• Faseutvikling (Δν → Δφ) B0-uavhengig!

• Svak kopling ved Δν >> J (enklere – høyt felt er bra!)

↑↑↑

↓↑↑ ↑↓↑ ↑↑↓

↑↓↓ ↓↑↓ ↓↓↑

↓↓↓

↑

↓

J-kopling i laktat

• De 3 metylprotonene v 1.3 ppm blir dublett pga CH-p+

• I –CHOH– vises ikke OH-p+ (for rask utskiftning)

• CH-p+ i –CHOH– blir tetraplett (1:3:3:1) pga 3 CH3-p+

• Trodde Jlac-H3 = 7.3 Hz → 270 ms periode (Siemens!)

• Nye målinger: Jlac-H3 = 6.9 Hz → 288 ms (→ 0.16 µT)

CH3 CH

Ekkotider for Lac

• Kort TE gir best SNR, men mye andre metab. (+lipid!)

• TE = 144 ms for -180° Lac; iblant problematisk v 3 T(pga destruktiv faseinterferens fra dårlig PRESS-seleksjon)

• TE = 288 ms tydelig Lac (lang T2) men også støyete

• Anbefalt: 144 ms eller 288 ms for klinikk – test ut!

MRS: Wibeke Nordhøy, OUS 2011, UUS NMR3 (GE Signa HDxt 3T)

30 ms 144 ms 288 ms

T2 og TE i MRS

• T2-kontrast er ofte uønsket i MRS

• Forholdet mellom topper endres med TE og B0!

• (→ OBS ved sammenligning av skannere/sekvenser!)

• TE↑: Kontrast for langlivede metabolitter

• TE↑: Dårlig SNR; faseartefakt m.m.

• TE↓: Ser flere metabolitter; lite fasegang

• TE↓: Kan være forvirrende; mer fettsignal

Vannsignal

• Vann gir ca. 10000 × Smetabolitter

• Må derfor supprimeres, f.eks. spektral inversjon

• Restsignal kan prosesseres bort

Baselinjekorreksjon

• Imperfekt vannsuppresjon m.m.

• Korrigeres automatisk

• Vi ser dermed ferdig

”punkterte” spektra

som ikke ”rir” flanken

av vanntoppen

LCModel

Blodsignal

• Arterier i eller nær voksel kan forstyrre MRS

• Gir dårlig vannsuppresjon og andre artefakter

• Bruk sat-bånd hvor det trengs!

Fettsignal

• Fett gir lett ~100 × Smetabolitter og mer

• Supprimeres ikke vanligvis for hjerne

• Problem v lipidansamlinger

• Problem nær meninges

• Kan maskere Lac

• Variabel frekvens og J-kopling (fasing)

• (0.9–1.3+ ppm)

• Bruk sat-bånd hvor det trengs!

PRESS-sekvensen

• Vi har ikke 3D-gradienter for 3D-seleksjon

• Må bruke multi-snittseleksjon (”PRESS-boks”)

• PRESS pulssekvens: 90° – 180° – 180°

• SVS: Single Volume Selection

• CSI: Chem Shift Imaging

• CSI bruker 2D/3D fasekoding

Alternativ: STEAM (3×90°)– ½ SNR, men TEmin ↓– Vanligvis ikke verdt det…

Unøyaktig PRESS-boks

• Ulik eksitasjon kan gi utflytende spektra m.m.

• Løses vanligvis ved en litt stor PRESS-boks og så auto-saturering rundt kanten

• De ytterste vokslene i et 2D-bilde blir dårligere

• Konsekvenser for Lac-måling, særlig v 144 ms

Satureringsbånd

• Alle våre scannere legger auto-sat-bånd inntil(vanligvis usynlig under planlegging)

• Til høyre sees manuelt lagte tilleggsbånd

• Hold voksel ≥ 5 mm fra kalvariet! (Mer v 3 T?)

Satureringsbånd

• Manuelt lagte bånd for å slå ut skalle,

• samt venøs/arteriell flow

• Bør uansett ha avstand til membraner

• Bruk sat-bånd på skalle og arterier hvis nær voksel!

Signal-til-støy (SNR)

• Lengre opptakstid hjelper noe (~NSA1/2)

• Trenger også godt signal (spole)

• Bedre oppløsning er farlig for SNR!!! (~FOV-3/2)

• Oppløsning har mer å si enn opptakstid...

CSI og SVS

• Singel voksel (SVS) gir mye bedre signal,

• men ingen romoppløsning som i CSI

• Lettere å shimme/plassere SVS (linjebredde++)

3T MRS vs. 1.5T MRS

CITIUS

EXILIUS

FORTIUS

• Enkel teori sier 2x SNR og bedre spektraloppløsning.

• Men – er det så enkelt? Artefakter...!

(raskere)

(smalere)

(sterkere)

Shimming

• Unøyaktig frekvens påvirker toppbredden mye

• Størst problem i store voksler (f eks CSI)

• Vanskelige lokasjoner (f eks nede i hodet)

• Pass også på shimvolum!

~Voksel best; unngå problemområder?!

• Anbefaler HOS for store/vanskelige voksler!

Shim ved vanskelig MRS

I dette opptaket hadde høyere ordens shim (HOS)

mye å si for signalstyrke og -kvalitet

Uten HOS Med HOS

Enklere opptak

• Periventrikulært f.eks., er enklere å få til

• (trenger sjelden ekstra shim)

Oblike snitt

• Dette er en mulighet på Siemens-maskinen

• Kan være svært hendig ved vanskelig anatomi!

”PRESS-midler” – BWex

• 90°-puls kan ha større BWex enn 180°

→ kjemisk shift får mindre å si → mer nøyaktig

• Kan styre ”slice direction” ved planlegging

90o (”slice”)

PRESS180o

”PRESS-midler” – skiftretning

• Fat Shift Direction påvirker retningen av shift!

• (”Frequency/phase encoding direction”…)

• Kan styre 1–3 retninger på ulike skannere

• Metode: Prøving og feiling → erfaring…?!

Et hjertesukk

• Postprosessering har ubrukt potensiale (jMRUI+)

• Sammen med

avanserte opptak

• Bør bli bedre!

(Over- vs. under-

forenkling...)

• Samtidig mer

brukervennlig!!!

Siemens Sonata MRS

UUS, 2006

GE3T - tumor

• Merk Cho/NAA ↑

• Mer artefakt i tumor (bl.a. dårlig vannsuppresjon)

• NB: Forskjellig skalering!

GE3T - tumor

• Sammenligning av voksler

• NAA ↓, Cho ↑ og Lip/Lac ↑ i lesjon

GE3T – metabolittbilder

•

CSI av hjerne vs. prostata

Siemens

• Begge steder ser vi Cholin

• I normal prostata ser vi Citrat fra seminalvæsken

• Problem: Fett (dobbel suppr.!), bevegelse!

ProstataFør behandl.

Etter 6 uker

jMRUI - AMARES

citrat

UUS(T. Storås et al)

MRS Mamma

• Ikke helt lett ennå (oppløsning; fett m.m.)

• Kan være bra ved store lesjoner

• Cho ↑: Malignitet (invasivt duktalcarcinom)

Hyun-Kyung Chung, GE

MRS Mamma

• Ingen Cho sees: Benign fibrocystisk endring

• 85–100% spesifikt (med T̅E-teknikk)?

• MRS mamma gjøres ikke ved UUS?!

Hyun-Kyung Chung, GE

31P MRS