擴散與張量影像 Diffusion MRI 莊子肇 副教授 中山電機系
回顧 : 相位對比影像 速度編碼 ~ 梯度強度及時間 弱梯度 : 可看快血流 強梯度 : 可看慢血流 可以做慢流速影像 (CSF)
Bipolar 梯度造成相角與流速有關 RF Gx Gz Gy t t t t 加梯度後 - 加梯度前 = 速度影像
MRI 與水分子的擴散 擴散也是一種 ( 極慢的 ) 流動 只要梯度夠強應該也可以看到? 速度一致 相角 ~ 速度 速度不一致 失相 信號降低
MRI 與水分子的擴散 擴散也是一種 ( 極慢的 ) 流動 完全是隨機式的運動 (random) 每個水分子方向速度隨時都不同 同一像素內的流動保證不一致!
擴散是個隨機運動 x s <x 2 > = 6Dt 平均移動距離 = 0 範圍 ~ 時間的平方根
若在影像的一個點中發生 失相 零 對此點而言器官磁鐵極小信號極弱 ( 黑 )
MRI 與水分子的擴散 梯度夠強應該可以看到... MRI 信號因擴散所產生的衰減 加了 bipolar 梯度之後, 擴散運動愈快, 信號衰減愈厲害
Diffusion MRI 的原理 一般成像法 + bipolar 梯度 比較加入梯度前後的信號差別 其他掃瞄參數固定 反推求得水分子擴散係數分佈
Bipolar 梯度造成失相導致信號損失 RF Gx Gz Gy t t t t 加梯度後 相對於 加梯度前 擴散比重影像
但是有些小問題 類似相位對比 MRA 梯度愈強, 愈可看慢速流動 擴散運動有多快? 擴散係數 (Diffusion coefficient)
擴散運動是非常慢的運動! 純水 : D = 2.0 x 10-3 mm 2 /sec 一秒鐘 : 0.06 mm 一分鐘 : 0.5 mm 比較 : CSF 約可到 10 cm/sec
Bipolar 梯度的要求 RF Gx Gz Gy t t t t 非常強的梯度開很久的時間 ( 注意 TE min )
擴散比重 MRI 的梯度要求 強梯度 持續長時間 使用自旋迴訊 改梯度
Bipolar 梯度的自旋迴訊版 90 0 90 0 180 0 RF t G t 信號由 T2* 衰減改為 T2 衰減
到底要多強的梯度呢? b factor : 控制擴散的比重 信號 ~ e -bd 與梯度有關 有點類似加長 TE 得到 T2 比重
到底要多強的梯度呢? b factor : 控制擴散的比重 信號 ~ e -bd D ~ 0.002 mm 2 /sec, 組織中更低 b = 1000 sec/mm 2 經常使用
一些算數 Signal = e - bd = 2.7 - bd = 100% ~ 37%?? b = γ 2 G 2 δ 2 ( - δ/3) 加重 b 因子 使擴散的影響得以肉眼看見
自旋迴訊 bipolar 梯度的 b 因子值 90 0 180 0 t δ t b = γ 2 G 2 δ 2 ( - δ/3)
到底要多強的梯度呢? b = γ 2 G 2 δ 2 ( - δ/3) = 1000 梯度 (G) 最強 : 10 ~ 25 mt/m 只好靠時間拉長來提高 b 值 TE : 90 ~ 150 msec!
b 因子對 TE 的影響 90 0 180 0 t TE δ t TE 非長不可 影像也含有 T2 比重
擴散比重影像 DW-EPI Siemens 1.5 Tesla 128x128 matrix b = 1000 TE = 110 msec 到底是 T2 長還是擴散慢?
擴散比重影像 (DWI) Diffusion-weighted imaging 本身也含有相當程度的 T2 比重 必須要有不同比重的影像對照
DWI with b = 0 and b = 1000 臨床上時間要緊只做兩組
擴散影像過去的失敗原因 以往梯度線圈強度與穩定性不夠 TE 長到信號早就 T2 衰減光了
不止是梯度的因素 過去動物實驗仍有部份成果 小型 MRI, 梯度線圈容易做 動物可以麻醉 + 固定 沒有 motion artifacts
病人呢? 不自主運動一定有 而且每次 TR 內運動不可能一致 梯度強到連水分子擴散都看得到 每次 TR 內所累積的相角都不同
RF 每個 TR 之間都加了 bipolar 梯度 90 0 180 0 t Gx Gz t t Gy 各種運動都會造成 phase 改變 t
用 spin-echo 做擴散影像的結果 b = 0 b = 500
解決方法 只做一次 bipolar 梯度就掃完影像 磁化準備 TurboFLASH, EPI
TurboFLASH 的擴散影像 90 0 180 0-90 0 B1 Gs Gp Gr DWI FLASH
EPI 的擴散影像 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
DW-EPI : b = 0 & b = 1000 因只有一次 bipolar 梯度故無 motion artifacts
DWI 的一些特性 T2 shine-through 現象 High b-value DWI 中的 multicomponent 擴散現象 擴散運動的不等向性 (anisotropy)
T2 Shine-through 所有 DWI 均含有 T2 對比 ( 提過了 ) 如果 DWI 顯示亮病灶 注意 T2 長 與 擴散慢 的區別 以 ADC map 顯示純擴散訊息
DWI 中的 T2 Shine-Through MCA Occlusion (5 hours vs. 7 days)
DWI 的一些特性 T2 shine-through 現象 High b-value DWI 中的 multicomponent 擴散現象 擴散運動的不等向性 (anisotropy)
High-b DWI 中的 Non-exponential 現象 ADC 計算值將隨 b value 的選取而變動
High b-value DWI 凸顯灰白質對比
DWI 的一些特性 T2 shine-through 現象 High b-value DWI 中的 multicomponent 擴散現象 擴散運動的不等向性 (anisotropy)
典型擴散不等向性的影像表現 b = 0 slice read phase 人腦部的 DWI
為什麼每張 DWI 不一樣? 水分子在該點的整體擴散趨勢 亮 : 慢擴散 暗 : 快擴散 有障礙物的話呢?
無障礙擴散是個隨機運動 x s <x 2 > = 6Dt 平均移動距離 = 0 範圍 ~ 時間的平方根
有障礙物時就不一樣了
神經纖維的髓鞘 (Myelin Sheath) 最典型的水分子擴散障壁
Fiber 中的擴散不等向性 (Anisotropy) 水分子擴散運動以順著纖維方向最大
限制性擴散與擴散不等性 Restricted diffusion & anisotropy 擴散趨勢在同一點內隨方向而不同 梯度通常加三個方向 擴散係數 為其平均值
典型擴散不等向性的影像表現 b = 0 slice read phase 人腦部的 DWI
擴散影像的應用 Ischemic stroke 擴散張量 (Diffusion Tensor MRI) Neuronal fiber tractography 其他
Ischemic Stroke 的應用 Acute stage 血液 ( 養份及氧氣 ) 供應不足 破壞內環境恆定
Acute Ischemic Stroke 鈣離子通道敞開, 離子幫浦失效 大量離子滲入細胞, 改變滲透壓 水被帶入細胞 Cytotoxic edema
擴散與 Cytotoxic Edema 水被大量帶入細胞 胞內水 ( 胞漿 ) 增加, 胞外水減少 整體水分子擴散看似減低 中風區 DWI 變亮
Hyperacute 缺血性中風 T2 影像 擴散權重影像 5 小時 after symptom onset
Chronic Ischemic Stroke 血腦障 (BBB) 破壞, 水被大量帶出血管 (vasogenic edema) 或是神經細胞完全破壞成為水樣化 (cytolysis)
擴散與 Chronic Ischemia Vasogenic edema 或 cytolysis 胞外水明顯增加 整體水分子擴散看似增加 中風區 DWI 又變暗
Acute & Chronic Ischemic Stroke 3.0 2.5 Relative ADC 2.0 1.5 1.0 0.5 0-6 hr 12-24 hr 3-4 day 11-20 day 6-12 hr 24-48 hr 5-10 day > 30 day Time from Stroke Onset
擴散與 Ischemic Stroke Acute : DWI 亮 ( 擴散變慢 ) Subacute : 逐漸接近正常值 Chronic : DWI 暗 ( 擴散變快 ) DWI 可用以做 stroke staging!
擴散係數隨病程變化的例子 MCA Occlusion
擴散影像的應用 Ischemic stroke 擴散張量 (Diffusion Tensor MRI) Neuronal fiber tractography 其他
Fiber 中的擴散不等向性 ( 剛剛看過 ) 水分子擴散運動以順著纖維方向最大
擴散不等向性 (Anisotropy) 其實就明確反映了 纖維障壁 的方向性 也就是 MRI 從此可以非侵入式測得白質神經纖維的方向性?
不要忘記 梯度 是有方向性的 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
不要忘記 梯度 是有方向性的 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
不要忘記 梯度 是有方向性的 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
典型擴散不等向性的影像表現 b = 0 slice read phase 人腦部的 DWI
擴散的方向性 不能以單一向量表示 ( 張量 ) Apparent Diffusion Coefficient 與纖維方向有密切關係 如果能測得就可得知纖維方向?
數學上的描述 擴散是一個張量 (tensor) 純量 (scalar) : 1 number 向量 (vector) : 3 numbers 張量 (tensor) : 9 numbers
為什麼擴散是張量? 同一點內的擴散趨勢隨方向而不同
擴散張量 ( 趨勢 ) 以橢圓球表示 A x 2 + Bxy + Cxz + Dy 2 + Eyz + Fz 2 = 1 A B/2 C/2 B/2 D E/2 C/2 E/2 F 橢圓球的數學方程式共含六個獨立變數
擴散張量 9 個數字中只有 6 個獨立變數 基本上構成橢圓球方程式 橢圓球長短軸告訴我們此處的障壁是圓柱狀 球殼狀 或紙層狀
剛剛看過的兩個例子 紙層狀障壁 圓柱狀障壁
好, 那麼 MRI 怎麼做? 一樣是 DW-MRI, 但是現在擴散梯度至少要加六個方向 x + y + z + xy + xz + yz xy + xz + yz + x(-y) + (-x)z + y(-z)
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
擴散張量 MRI 的梯度加入法 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 B1 Gs Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
另一種擴散張量 MRI 的方法 ( 較常用 ) B1 Gs 90 0 180 0-90 0 90 0 -fat 90 0 Gp Gr DWI fat-sat EPI
再算出橢圓球方程式 A x 2 + Bxy + Cxz + Dy 2 + Eyz + Fz 2 = 1 A B/2 C/2 B/2 D E/2 C/2 E/2 F 如何從擴散張量影像推導出橢圓體?
由擴散影像推算擴散張量 已知 :b0 image and DWIs 欲求 :diffusion tensor matrix(d eff )
Pixel-by-pixel calculation S 0 和 S j 代表未加上擴散權重梯度與加上之後的訊號強度 b0 與 DWI 中單一像素的灰階值 有幾張 DWI, 就有幾條方程式
擴散張量與橢圓體的關係 Z E 1 E i : eigen vector of D eff E 3 X λ i : eigen value of D eff Y E 2
定量描述一下吧 ~ 單一像素中擴散的強弱 traceadc, mean diffusivity 擴散的非等向性 Volume Ratio, Relative Anisotropy, Fractional Anisotropy
Fractional Anisotropy
Scan Time 如何? 不用擔心, 有 EPI 在 單張影像 ~ 2 sec, 每個 slice 需要七張,multi-slice interleaving 12 signal averages ~ 3 minutes
擴散張量的影像表示法 就直接用橢圓球, 每一個像素都畫一個出來 從橢圓球長軸方向得知纖維方向 過程很冗長煩人的
擴散張量的橢圓球顯示方式 (Cat Brain) 長軸 : 纖維方向 短軸 : 主要障壁所在
略微簡潔的方式 用三個軸畫成鑽石形 電腦繪圖可以省不少時間 只畫出最長的長軸 橢圓球 一直線, 簡單多了
鑽石形表示擴散張量 ( 心肌 ) 纖維方向 ( 擴散張量影像 )
擴散張量顯示白質神經纖維走向 Coronal Slice 腦室周圍的胼肢體
擴散張量的彩色表示法 利用三原色代表三個主軸 紅 藍 綠 斜方向 = 色彩綜合 ( 黃 = 綠 + 紅 ) 優點 : 可直接由電腦高解析度顯示
擴散張量的彩色表示法 藍 : S/I, 紅 : R/L, 綠 : A/P
擴散張量的非等向性 Fractional anisotropy λ i : 橢圓球中三個主軸的半徑 只反應 directionality 的強烈程度 不反映真實的 direction
兩種顯示方式比較 藍 : S/I, 紅 : R/L, 綠 : A/P Fractional Anisotropy Diffusion Tensor
灰質中看不到擴散不等向性 灰質 : 神經鍵結處 (synapse) 並不是沒有擴散障壁的存在 只是方向性並不明確 白質 : 神經纖維 走向明確
向量編碼 FA 圖 Vector-coded fractional anisotropy 向量 + 色彩 資訊較完整, 但顯示較複雜
Vector-coded Fractional Anisotropy Vector-coded FA Color-coded FA
Vector-coded Fractional Anisotropy Corpus Callosum Corona Radiata
Vector-coded Fractional Anisotropy Corpus Callosum Corona Radiata
Vector-coded Fractional Anisotropy Corpus Callosum Corona Radiata
Vector-coded Fractional Anisotropy Corpus Callosum Corona Radiata
擴散影像的應用 Ischemic stroke 擴散張量 (Diffusion Tensor MRI) Neuronal fiber tractography 其他
擴散張量 Fiber Tracking Corpus callosum white matter track
Tractography 原理 察看隔壁 pixel 主軸角度的差異 Anisotropy 夠強烈才納入 角度夠接近的視為連結神經 並且角度符合與 pixel 相對位置
理想上最好像這樣
Continuous Tractogram
擴散張量的進一步延伸 如果有 crossing fiber 怎麼辦? 單一橢圓球絕對不足以表示纖維交叉狀況 上百個不同方向的擴散梯度 Sampling in the q-space
Diffusion Spectrum MRI 也叫做 Q-space imaging, displacement imaging Q-ball imaging 理論複雜 掃瞄時間超長, 全世界也只有幾個人在做
擴散磁振造影的發展與應用 持續 擴散 當中 非等向性不等於神經纖維分佈 MR 為目前所知唯一可估算擴散係數的技術
擴散與張量影像 Diffusion MRI 莊子肇 副教授 中山電機系