MR spektroskopie – princip, klinické a experimentální použití MUDr. Ondřej Volný1 Ing. Klára Brabencová2 MUDr. Petra Cimflová2 prof. MUDr. Martin Bareš PhD1 1 I. neurologická klinika FN u sv. Anny a LF Masarykovy univerzity 2 Klinika zobrazovacích metod FN u sv. Anny a LF Masarykovy univerzity SafeBrain.jpg Obsah •1. Biofyzikální princip metody • •2. Overview zpracování dat • •3. Klinické využití MR spektroskopie (MRS) Ø MRS u nádorů mozku Ø MRS v epileptologii Ø MRS u roztroušené sklerózy Ø MRS u dalších nosologických jednotek Ø •4. Shrnutí Úvod •Vyšetřovací metoda sloužící ke stanovení koncentrace metabolitů v mozku a v ostatních orgánech •MRS na rozdíl od MRI vytváří grafy (tzv. spektra) •V různých chemických sloučeninách jsou atomová jádra silně odstíněna elektronovým obalem, tím vzniká rozdíl v rezonančních frekvencích závisejících právě na chemickém prostředí •Vzhledem k různým rezonančním frekvencím se signály identických jader objevují ve spektru MRS na různých pozicích Øtímto způsobem lze odlišit a identifikovat jednotlivé molekulární komponenty http://www.ajnr.org/site/fellows/files/MRS-chapter-Castillo.pdf Biofyzikální princip metody •Před samotným měřením je potřeba provést tzv. shimming magnetického pole Øje to tzv. korekce nehomogenity magnetického pole (většinou probíhá automaticky) – –Používají se dva typy sekvencí: •Sekvence typu STEAM (stimulated-echo acquisition mode) Øvyužívá k lokalizaci VOI (volume of interest) tří kmitočtově selektivních 90° RF pulzů Øměření spekter při velmi krátkých echo-časech, což umožňuje měřit metabolity, jejichž rezonance se vyznačují krátkými relaxačními časy T2 nebo multipletovou strukturou Øhlavní nevýhodou je ztráta poloviny signálu a tím teoreticky poloviční citlivost – •Sekvence typu PRESS (point-resolved spectroscopy) Øvyužívá jeden selektivní excitační 90° pulz a dva selektivní 180° pulzy pro vytvoření spinového echa Øpřednostně se používá pro lokalizaci VOI v měřeních s dlouhými echo-časy – •Potlačení signálu vody – ve výsledku by voda svým signálem zastínila ostatní metabolity, které se vyskytují v menších koncentracích http://www.medscape.com/viewarticle/778095_1 http://www.neurologiepropraxi.cz/pdfs/neu/2005/03/04.pdf 1.Patří STEAM a PRESS do shimming? Biofyzikální princip metody •2 techniky s různými lokalizačními charakteristikami (v rámci vyšetření se provádí obě): ØSingel Voxel Spectroscopy (SVS) •Jednoobjemová spektroskopie - zkoumá omezený objem tkáně (většinou krychle) •Výsledkem je jedno spektrum, které vypovídá o celkovém rozložení metabolitů v daném objemu •Přesnější uí známých ložiskových patologií, např. hipokampu u hipokampální sklerózy, které je příčinou epilepsie temporálního laloku ØChemical Shift Imaging (CSI) •Koncentrace metabolitů ve vybraném objemu, který je rozdělen na větší množství voxelů a z každého voxelu je získáno spektrum (provádí v rámci lokalizace patologie) Biofyzikální princip metody •Získání RAW dat – FID (digitalizovaná) data získaná z indukční cívky během vyšetření (formát DICOM – Digital Imaging and Communications in Medicine) •Předzpracování v časové doméně (spektrální): –Odstranění fázových odchylek (způsobené vířivými proudy) –Odstranění signálu vody –Apodizace = zlepšení spekt. rozlišení, poměru signál/šum (signal/noise) → vynásobením váhovou funkcí (exponenciální, Gaussova) –Doplnění nulami = navýšení datových bodů (1024→2048, 2048→4096) → zlepšení rozlišení –Fourierova transformace (FT) •Předzpracování ve frekvenční doméně: –Korekce základní čáry –Fázová korekce – převráceny vrcholy metabolitů, korekce nultého řádu –Určení plochy píků – integrál signálů jednotlivých metabolitů (relativní intenzity) – • Vlevo: spektrum s nepotlačenou vodou Vpravo: spektrum s potlačenou vodou Signál vody zastiňuje ostatní metabolity, které se vyskytují v menších koncentracích, proto je nezbytné potlačit signál vody Zpracování dat a prezentace křivek •Prezentace CSI dat (chemical shift imaging): ØZobrazování spekter v polohách jednotlivých voxelů • ØZobrazování prostorových map jednotlivých metabolitů na základě naměřených integrálních intenzit – – ØZobrazování prostorových map poměrů integrálních intenzit dvou metabolitů Zpracování dat a prezentace křivek ØHorizontální osa představuje frekvenci (chemický posun) ØVertikální osa reprezentuje intenzitu signálu (koncentraci metabolitů) ØChemické posuny jsou vyjádřeny jako ppm (parts per million) ØJako referenční sloučenina je nejčastěji používán tetramethylsilan (TMS), kterému je přiřazen chem. posun 0 ØVoda se nachází vlevo na pozici 4,7 ppm – Brain 8 •Spektrum metabolitů v dvourozměrném grafu Klinické využití MRS – mozek •Hlavní klinickou indikací MRS jsou mozkové nádory. MRS je používána jako doplněk běžné MRI – pomáhá zlepšit diagnostiku a monitorovat léčbu (rozsah infiltrace zdravé tkáně, recidiva, reakce na léčbu, grading, etc.) na základě spekter metabolitů. •Hlavní metabolity v mozku: NAA, Cholin, Kreatin, Laktát (kys. mléčná), Glutamin (lipidy, Myo-Inositol) ØNAA (N-acetylaspartát): marker neuronů a jejich životaschopnosti, přítomen v šedé i bílé hmotě, jeho koncentrace klesá s patologiemi mozku (nenachází se v nádorech a mimo CNS), jeho vrchol se nachází na 2.0 ppm ØCho (cholin): acetylcholin je důležitý neurotransmiter a je nedílnou součástí buněčných membrán, proto se vyskytuje ve větším množství při jejich poškození (hypoxické/ischemické poškození, nádory), jeho vrchol se nachází na 3.2 ppm ØCr (kreatin): kreatin a fosfokreatin jsou přítomny v mozku, ve svalech a v krvi (fosfokreatin slouží jako zdroj pro tvorbu adenosin trifosfátu, jeho vrchol se nachází na 3.03 ppm), v mozkové tkáni je intenzita signálu kreatinu relativně stabilní, často i v případě patologických změn. Z tohoto důvodu bývá často intenzita kreatinu využívána jako referenční. Snížení hladiny se může vyskytnout u nádorů a po mozkovém infarktu, naopak zvýšení hladiny můžeme pozorovat např. v souvislosti se stárnutím • • http://www.neurologiepropraxi.cz/pdfs/neu/2005/03/04.pdf http://www.ajnr.org/site/fellows/files/MRS-chapter-Castillo.pdf Low-grade astrocytom – snížení NAA a zvýšení cholinu MRS a epilepsie •MRS poskytuje užitečné informace v předoperačním vyšetření u pacientů s epilepsií, mj. přispívá k lateralizaci (určení postižené hemisféry) a k lokalizaci epileptogenního ložiska, rovněž pomáhá k detekci oboustranné patologie (např. u tzv. bitemporálních epilepsií, kdy jsou epilepsií postiženy obě hemisféry), http://www.ajnr.org/content/18/6/1131.full.pdf •Ve srovnání se zdravou tkání MRS detekuje snížení signálu NAA a nárůst signálu Cr a Cho, které jsou obvykle spojeny s dysfunkcí neuronů typickou pro epileptogenní ložiska Patologická křivka: - nárůst cholinu a kreatinu a snížení NAA Fyziologická křivka MRS a roztroušená skleróza •Spektroskopie (1H-MRS) může poskytnout informaci o přítomnosti aktivního zánětu (přítomnost tzv. aktivní plaky) a o axonálním postižení, které jsou typické pro ataku roztroušené sklerózy •Typické je snížení N-acetylasparátu (odrážející axonální a neuronální poškození), zvýšený cholin (souvející s aktivním zánětem a demyelinizací) a zvýšený myoinositol (glióza) http://www.neurologiepropraxi.cz/incpdfs/inf-990000-2800_10_9.pdf http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1351238/ http://www.ajnr.org/content/27/6/1165.long Snížený NAA Zvýšený cholin a myoinositol Spektrum zdravé tkáně MRS a postižení míchy •MRS je cenným nástrojem pro diferenciální diagnostiku různých neuropatologií. Nicméně kvůli technickým limitacím (respirační a jiné pohyby, proudění moku, malé ROIs) je vzácně využívána u míšních patologií (omezena na krční míchu opět v diagnostice demyelinizačních procesů – právě krční mícha je typickým místem výskytu RS plak) • http://www.biomed.ee.ethz.ch/research/bioimaging/mr-spectroscopy/Methods/SpineMS?hires http://www.lancet.com/cms/attachment/2030402227/2047996223/gr5.jpg http://www.ajnr.org/content/34/9/1682.full.pdf Další využití MRS – prostata •MR spektroskopie je perspektivní metoda k vytipování podezřelých ložisek u špatně přehledné prostaty u pacientů se zvýšeným PSA (specifický ukazatel) a s negativní histologickým nálezem v biopsii prostaty http://www.cesradiol.cz/dwnld/Ces_Rad_0901_80_88.pdf http://www.cus.cz/wp-content/uploads/2013/09/2-Ryznarova-Prinos-MR-v-diagnostice-CaP-2014-2.pdf http://www.czechurol.cz/pdfs/cur/2010/03/09.pdf http://www.radiologie-rosenheim.de/images/start_news1.jpg MRS a játra •MRS je využívána k kvantifikaci jaterního tuku a pro diagnostiku malignity (obvykle na základě stanovení koncentrace cholinu) •Interpretace dat však vyžaduje softwary pro postprocessing a podléhá technickým omezením (nízký poměr signál-šum, maskování metabolitů dominantními vrcholy vody a lipidů – kvůli velkým koncentracím vody a lipidů nelze určit přesnou koncentraci cholinu, etc.) Figure Figure Figure http://pubs.rsna.org/doi/full/10.1148/rg.296095520 Figure Shrnutí •MRS prochází v posledních letech obrovskými pokroky a to především díky vyšším intenzitám magnetického pole nových MR přístrojů (3T), tím bylo dosaženo zlepšení rozlišení, zlepšení poměru signál/šum a celkově se zkrátila doba skenování (3-4 min u single voxel techniky a 4-5 minut u chemical shift imaging) ØU starších 1,5 T přístrojů se vyšetřovací časy pohybují okolo 7 minut u singel voxel techniky a 14 minut u chemical shift imaging • •MRS je v neuroradiologii dominantně využívána v neuroonkologii a epileptologii • •Nadále však existují limitace pro zařazení do rutinních protokolů: časová náročnost, nedostatečná klinická zkušenost lékařů hodnotících spektra metabolitů a zatím omezené množství informací o specifických patologických spektrech pro určitou strukturální patologii mozku (je zapotřebí další výzkum) • • Otázky k opakování •1) Popiš, co je výstupem MRS? (slide 3) •2) Popiš, jakým způsobem jsou pomocí MRS identifikovány jednotlivé metabolity? (slide 3) •3) Co znamená termín shimming? (slide 4) •4) Vyjmenuj, jaké jsou hlavní typy sekvencí používaných v MRS? (slide 4) •5) Popiš, proč je potřeba potlačit signál vody? (slide 4 a 6) •6) Vyjmenuj 2 techniky s různými lokalizačními charakteristikami, které se v MRS používají? (slide 5) •7) Popiš, jakým způsobem jsou prezentovány výsledky MRS? (slide 7) •8) Popiš, co prezentuje horizontální a vertikální osa ve spektru metabolitů? (slide 8) •9) Vyjmenuj hlavní metabolity/transmitgery v mozku – jakým způsobem MRS odhaluje patologie? (slide 9) •10) Vyjmenuj i další klinické a experimentální využití MRS? (slide 9-14) 1. 1. • • • • • •