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MRI Techniques MRI Techniques Vincent Perrin Series Editor Henri Maître Firstpublished2013inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc. Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as permittedundertheCopyright,DesignsandPatentsAct1988,thispublicationmayonlybereproduced, storedortransmitted,inanyformorbyanymeans,withthepriorpermissioninwritingofthepublishers, or in the case of reprographic reproduction in accordance with the terms and licenses issued by the CLA. Enquiries concerning reproduction outside these terms should be sent to the publishers at the undermentionedaddress: ISTELtd JohnWiley&Sons,Inc. 27-37StGeorge’sRoad 111RiverStreet LondonSW194EU Hoboken,NJ07030 UK USA www.iste.co.uk www.wiley.com ©ISTELtd2013 The rights of Vincent Perrin to be identified as the author of this work have been asserted by him in accordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988. LibraryofCongressControlNumber: 2013946298 BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary ISBN:978-1-84821-503-0 PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY Table of Contents Chapter1.Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.Blood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1.Characteristicsofbloodflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2.Laminarflowandturbulentflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.Basicphenomenainangiography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.1.TimeofFlight(TOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2.Phenomenonofdephasingofcircularspins . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.Artifactsrelatingtotheflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.1.Artifactofpulsatileflowofbloodorcerebrospinal fluid(CSF). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.2.Fluidlocationerror. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.3.Otherartifacts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.MRAsequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1.TimeofFlight(TOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.2.Phase-contrastangiography(PCA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.4.3.The“match”betweenTOFandPCAimaging. . . . . . . . . . . . . 36 1.4.4.Contrast-enhancedMRA(CE-MRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.5.Studyoftwoclinicalproblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.5.1.Differentiationbetweenathrombusandaslowflow. . . . . . . . . 45 1.5.2.“Correct”evaluationofastenosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Chapter2.Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1.Generalpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1.1.Whatisdiffusion? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1.2.Whatisthemedicalinterestheldbydiffusion? . . . . . . . . . . . . 50 2.1.3.Thethreemaintypesofdiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.Principlebehinddiffusionimagingandtheassociatedsequence . . . . 51 vi MRITechniques 2.3.Studyoftheobtainedsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.3.1.Expressionofthesignal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.2.Diffusioncoefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.3.Thebfactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.4.Diffusionsequenceanddiffusionimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.1.Completesequence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.2.Diffusionimage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.3.ApparentDiffusionCoefficient(ADC)maps . . . . . . . . . . . . . 65 2.4.4.Pitfallimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5.Thedifferentclinicalapplicationsfordiffusion . . . . . . . . . . . . . . 70 2.5.1.Studyofanischemicaccident . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.5.2.Cerebralabscessornecrotictumor?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.5.3.Limitationsofdiffusionimaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.6.Artifactsfrequentlyencounteredindiffusion. . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.6.1.ArtifactspecifictoEPI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.6.2.Artifactpeculiartothediffusionsequence. . . . . . . . . . . . . . . 80 2.7.Diffusion-tensorimaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.7.1.Advantage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.7.2.Generalprinciplesofdiffusiontensorimaging(DTI) . . . . . . . . 84 2.7.3.Diffusiontensorimaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.7.4.Clinicalapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.8.Tractography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.8.1.FACTmethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.8.2.Twoimportantparametersinthismethod . . . . . . . . . . . . . . . 99 2.8.3.Theproblemofcrossedfibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8.4.Clinicalapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Chapter3.Perfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.1.Generalpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.1.1.Whatisperfusion? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.1.2.Whatisthemedicaladvantagetoperfusion?. . . . . . . . . . . . . . 104 3.2.Exogenoustracers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.2.1.Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.2.2.Informationobtainedwithaperfusionsequence . . . . . . . . . . . 106 3.2.3.Alterationoftheparametersasafunctionof thetypeofdisease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.2.4.Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.3.Endogenoustracers:ASLtechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.3.1.Whyuseendogenoustracers? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.3.2.Principleandsensitivityoftheendogenoustracermethod. . . . . . 111 3.3.3.ContinuousArterialSpinLabeling(CASL) . . . . . . . . . . . . . . 114 3.3.4.PASL(PulsedArterialSpinLabeling)technique . . . . . . . . . . . 125 TableofContents vii 3.3.5.CASLorPASL? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.3.6.Conclusion:advantagesandlimitationsofASL. . . . . . . . . . . . 131 3.4.Medicalapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.4.1.IschemicCVA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.4.2.Tumors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.4.3.Otherapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Chapter4.FunctionalMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.2.Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.2.1.OriginoffMRIsignal(BOLDeffect). . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.2.2.Typeofparadigm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.2.3.TypeofsequenceusedinfMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.3.Introductiontostatisticalanalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.3.1.Whythisstudy?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.3.2.Howshouldthisanalysisbedone?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.3.3.Simplelinearregressiontechnique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.3.4.Multiplelinearregressiontechnique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.4.StatisticalanalysisandfMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.4.1.ModelingofthefMRIsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.4.2.Statisticaltest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 4.5.Pre-processingandlimitationsoffMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 4.5.1.Motioncorrection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 4.5.2.Correctionofdelayinacquisitionbetweenslices. . . . . . . . . . . 209 4.5.3.Correctionofgeometricaldistortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 4.5.4.OverallviewoftreatmentinfMRI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 4.6.ApplicationoffMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.6.1.Groupanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.6.2.Disease. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223