+ All Categories
Home > Documents > MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A....

MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A....

Date post: 01-Sep-2020
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
31
4D MRI quantification of CSF velocities with comparison to computational fluid dynamics (CFD) simulations April 26, 2012 American Society of Neuroradiology, 50 th Annual Meeting CSF and hydrocephalus study group Bryn A. Martin 1 Theresia I. Yiallourou 1 , JanRobert Kroeger 2 , Nikolaos Stergiopulos 1 , A.C. Bunck 2 1 Laboratory of Hemodynamics and Cardiovascular Technology, EPFL, Switzerland 2 Department of Clinical Radiology, University Hospital of Muenster, Germany 3 Department of Radiology, University of Basel, Switzerland 1
Transcript
Page 1: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

4D MRI quantification of CSF velocities with comparison to computational fluid dynamics (CFD) simulations

April 26, 2012

American Society of Neuroradiology, 50th Annual MeetingCSF and hydrocephalus study group

Bryn A. Martin1

Theresia I. Yiallourou1, Jan‐Robert Kroeger2, Nikolaos Stergiopulos1, A.C. Bunck2

1Laboratory of Hemodynamics and Cardiovascular Technology, EPFL, Switzerland2Department of Clinical Radiology, University Hospital of Muenster, Germany

3Department of Radiology, University of Basel, Switzerland

1

Page 2: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Clinical tools & measurements

CSF pulse wave velocity in craniospinaldisorders

CPAP: influence on cardiovascular and 

CSF system(MRI and US)

Intraoperative spinal cord 

hemodynamics

Modeling

Spinal cord blood flow

Hydrocephalus(FE brain)

CSF: in vitro models

CSF: in vitro models

Spinal cord fluid structure interaction

T. Yiallourou, EPFL LausanneAlexander Bunk, M.D. Muenster GKroeger, M.D. Muenster GMaintz, M.D. Muenster G

Dr. F. Santini, Basel, CHDr. Jelena Bock, Freiburg, G

L. Hirt, M.D., CHUV, CHC. Odier, M.D., CAR. Heinzer, M.D., CHUV, CHJ. Rubio, M.D., CHUV, CH

C. Marcucci, M.D., CHUV, CHB. Tozzi, M.D., CHUV, CH

A. Gottshalk, M.D., Ulm, GDr. E. Fonari, CHUV, CHDr. J. Oshinski, Emory U., USADr. F. Santini, Basel, CHDr. F. Loth, Akron, USA

Dr. F. Loth, Akron, USAMilan Radojicic, M.D.  UCSF

Dr. J. M. Drezet, EPFL, CHS. Momjain, M.D., Geneva, CH

Dr. N. Stergiopulos, EPFL, CHDr. O. Baledent, Amien, FRDr. P. Reymond, EPFL, CH

J. Novy, M.D., CHUV, CH / UKDr. Pablo Bianco, Brazil

Dr. F. Loth, Akron, USADr. T. Royston, UIC, USAYifei Liu, UIC, USA

4D MRI in aqueduct of Sylvius and 3rd

ventricle

4D MRI in aqueduct of Sylvius and 3rd

ventricle

Coupled cardiovascular and CSF system

Coupled cardiovascular and CSF system

4D MRI in craniospinal disorders

Ongoing research in CSF hydrodynamics

Page 3: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Motivation• Abnormal CSF hydrodynamics have been implicated in many 

craniospinal disorders

3ninds.nih.gov/disorders/

Hydrocephalus

Chiari malformation

Syringomyelia

Tethered cord / Spina Bifida

1 in 500

1 in 10001 in 1500

1 in 8000

Page 4: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Need for CSF biomechanics research• The underlying biomechanical forces that contribute to 

craniospinal disorders are not well understood.• Engineers + medical doctors are helping to do in CSF 

hydrodynamics what has been done in hemodynamics.

4

Page 5: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

• Anterior / posterior flow differences• Nerve roots appear to impact flow

Chiari patient

Krueger et al. Martin et al.

Quigley et  al.

Background: CSF flow in cervical spine

5

Linge SO et al.. CSF flow dynamics at the craniovertebra. AJNR American journal of neuroradiology. 2010;31(1):185‐92.Krueger KD, et al.. Peak CSF velocities. AJNR American journal of neuroradiology. 2010;31(10):1837‐41.Shaffer, et al.. Neurological research 33, 247‐260, doi:10.1179/016164111X12962202723805 (2011).Martin, B. A., et al. Syringomyelia hydrodynamics. J Biomech Eng 127, 1110‐1120 (2005).Lichtor, et al., Noncommunicating. Spine 30, 1335‐1340, doi:00007632‐200506010‐00019 [pii] (2005).Quigley, M. F., et al. Cerebrospinal fluid flow. Radiology 232, 229‐236 (2004).Brugieres, P. et al. CSF flow measurement in syringomyelia. AJNR Am J Neuroradiol 21, 1785‐1792 (2000).Bhadelia, R. A., et al. Cerebrospinal fluid pulsation. Neuroradiology 39, 258‐264 (1997).Enzmann, D. R. & Pelc, N. J. Normal flow... Radiology 178, 467‐474 (1991).

Healthy

Shaffer et al.Linge et al.

Beledent et al.

Syrinxflow

Lichtor et al.

Brugieres et al.

Bhadelia et al.

Enzmann

Page 6: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

• Recently employed technique to visualize CSF flow• Not yet quantitatively analyzed against CFD

4D MRI in cervical spine

6

Healthy Chiari patient

Bunck, A. C. et al.Magnetic resonance 4D flow characteristics of cerebrospinal fluid at the craniocervical junction and the cervical spinal canal. European radiology 21, 1788‐1796, doi:10.1007/s00330‐011‐2105‐7 (2011).Santini, F., et al. Time‐resolved three‐dimensional... Magnetic resonance in medicine : 62, 966‐974, doi:10.1002/mrm.22087 (2009).

Bunck, A. C.

Santini et al.

Page 7: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Background: CFD in spine• What level of CFD simulation complexity is needed?

7

a. b. c. d. e. f. g.

AuthorYear

GeometryTissue motion

Arachnoid trebeculae

Nerve roots / ligaments

a. Gupta et al. 20093D subject specific No Yes No

b. Stockman 2007 2D idealized No Yes Yesc. Linge et al.Roldan et al.Present study

2010?3D subject specific No No No

d. Linge et al. 2009 3D idealized No No Noe. Loth et al. 2001 2D concentric ellipse No No Nof. Bertram 2005‐12 2D idealized axi‐symmetric Yes No Nog. CirovicElliott/CarpenterLockey?

2005‐122D concentric tube with constant diameter

Yes No No

Page 8: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Objective1. Assess 4D MRI measurements of cervical CSF flow in healthy 

and patients with CSF blockage at the foramen magnum.2. Compare 4D MRI measurements to subject specific 3D CFD.

Our study:• 3 healthy subjects• 4 patients with craniospinal instabilities at the foramen 

magnum

8Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping of 4D cerebrospinal fluid flow in Chiari I malformation with and without syringomyelia,” European Journal of Radiology 

Page 9: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Methods

A. C. Bunck et al. "Magnetic resonance 4D flow characteristics of cerebrospinal fluid at the craniocervical junction and the cervical spinal canal," European Radiology, vol. 21, pp. 1788‐96, Aug 2011.

• 4D MRI CSF flow measurements by A. C. Bunck et al.1

• Processing  & visualization of 4D MRI with GT Flow software 

• Reconstruction of the 3D geometry (ITK snap)

• CFD simulation (rigid wall / newtonian fluid (water) / 

Unsteady flow / ANSYS CFX)

9

Page 10: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

4D MRI in cervical spine

10

Healthy Chiari patient

Bunck, A. C. et al.Magnetic resonance 4D flow characteristics of cerebrospinal fluid at the craniocervical junction and the cervical spinal canal. European radiology 21, 1788‐1796, doi:10.1007/s00330‐011‐2105‐7 (2011).

Page 11: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Comparison of 4D MRI and 3D CFDCompare in terms of:1. Velocity profiles2. Peak flow velocities

11

Page 12: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Method for velocity profile comparison

12

High res. MRI scan

4D M

RI3D

 CFD

*Noise in 4DMR required masking

*No masking needed for CFD

C1

C2M

C2P

C3

C4

C5

C6

C7

3D reconstruction

Page 13: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Flow boundary condition• Due to noise in 4D MRI, we used the 4D MRI location with the 

greatest peak flow rate (best signal) for flow BC.• Flow was input at the caudal end of the model (P=0 at outlet)• Blunt velocity profile w/ geometry extended at flow inlet.

13

4D MRI

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

Flow

  rate (cm3/s)

Time (s)

4D mri flow rate (cm3/s)

C1

C2P

C2M

C3

C4

C5

C6

C7

FM

th

Page 14: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Results: velocity profile comparison

14

A

PLR

Healthy

Data not yet processed

Mrs sHealthy 8 Healthy 3 Healthy 4 Mrs F Mr V Mr G

**

*

*

**

+

+

++

++

+

+

+

+

+

+++

+

+

Patients3D CFD 4D MRI

Page 15: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Patient (Mrs S)Healthy 8

15

3D CFD 4D MRI

A

P

LR

C7

C6

C5

C4

C3

C2P

3D CFD 4D MRI

C7

C6

C5

C4

C3

C2P1 cm

Velocity(cm/s)3.0

0.0 0.0

Velocity(cm/s)3.0

0.0 0.0

1 cm

Velocity(cm/s)6.0

Velocity(cm/s)9.0

+

+

+

+

+

+ +

+

Page 16: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Results: comparison of peak velocities• 4D MRI was consistently higher than 3D CFD• Differences were pronounced in patients near brain base (FM)

16

Page 17: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

17

Data not yet processed

Mrs S Mrs F Mr V Mr G

* *

*

*

**

+

+

++

+ +

+

+

Patients

Interesting observation:  For Mrs S. and Mrs F, CSF flow was present in the mid/lower cervical spine but not at the foramen magnum!

No flow?

Page 18: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

18

Mr. V Mr. G Mrs. F Mrs. S

+

‐5

‐4

‐3

‐2

‐1

0

1

2

0 0.2 0.4 0.6

‐6

‐4

‐2

0

2

4

0.00 0.20 0.40 0.60

‐4

‐3

‐2

‐1

0

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8

‐3

‐2

‐1

0

1

2

0 0.2 0.4 0.6

FM

C2MCSF flo

w (m

l/s)

Increasing tonsillar herniation

TissueMotion

Page 19: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Tonsillar herniation and CSF flow jetsMild herniation at FM

– Flow stenosis– Elevated pressure gradients at FM & stress on tissue– Flow Jets– Mild reduction in CSF pulse amplitude at FM– Mild tissue displacement– Tissue remodeling?

Severe herniation at FM– Flow blockage– No flow jets– CSF pulse zero at FM – Severe tissue displacement – Lower cervical CSF pulse from bulk tissue displacement?

19

Increasin

g tonsillar herniation

Page 20: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Why are there differences in the flow field obtained by subject specific 3D CFD 

compared to 4D MRI?

20

Page 21: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Tissue motion• Alters flow field• Quantified in literature 

(Cousins et al., Greitz)

21

Chiari patient

*Unpublished imaging video.

Cousins, J. & Haughton, V. Motion of the cerebellar tonsils in the foramen magnum during the cardiac cycle. AJNR. American journal of neuroradiology 30, 1587‐1588, doi:10.3174/ajnr.A1507 (2009).1991‐Greitz‐Neuroradiology‐CSF Piston

Page 22: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

4D velocity (03/10/2010)

22

Error/noise from MRI

4D MRI in 3rd ventricle of brain4D MRI in aqueduct of Sylvius

Page 23: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Inconsistent / inaccurate CSF mesh

05/31/2010 04/27/2010 03/22/2010

04/22/2010 03/10/2010

All geometries from same personSegmentation performed by same personScans obtained on two different scanners

Page 24: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Error from neglect of fine structure• Arachnoid trebeculae within the spinal subarachnoid space were neglected.  Is the distribution isotropic?

24(2) Cloyd, M. W. and F. N. Low (1974). "Scanning electron microscopy of the subarachnoid space in the dog. I. Spinal cord levels." The Journal of comparative neurology 153(4): 325‐368.

Page 25: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Error in CFD from neglect of other structures

• Nerve roots • Denticulate ligaments

25

Page 26: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

• CFD in cervical spine with and w/o fine anatomy

7T

3T

Future directions

26Sigmund, E. E. et al. High‐resolution human cervical spinal cord imaging at 7 T. NMR in biomedicine, doi:10.1002/nbm.1809 (2011).

Our new model in development

Page 27: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Test 4D MRI measurements with in vitro model

27

L=

12.5

mm

L=

12.5

mm

Images courtesy of Dr. Navid Borhani, EPFL thermodynamics laboratory

Model 1 Model 2

Page 28: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Conclusion• Fine anatomy and tissue motion in the cervical spine appear 

to have an important impact on CSF hydrodynamics.• To accurately model the cervical spine hydrodynamics in 

disease we likely need to include fine anatomy and tissue motion.

• 4D MRI is useful to understand complex flow in craniospinal disorders.

28

Page 29: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

29

Theresia Yiallourou

Prof. Nikos Stergiopulos

Page 30: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

Work funded by: Swiss National Science FoundationAmerican Syringomyelia Alliance ProjectConquer ChiariEngineering Collaborators• Francis Loth, Ph.D. U. Akron• Francesco Santini, Ph.D., Uni. Basel• Matthias Stuber, Ph.D., CHUV CIBM• John N. Oshinski, Ph.D., Emory Univ.• Rick Labuda, Conquer Chiari• Jean‐Marie Drezet, Ph.D., EPFL• Jelena Bock, Ph.D., Uni. Freiburg • Eleonora Fonari, Ph.D., CHUV CIBM• Novak Elliott, Ph.D. Univ. Warwick• Chris Bertram, Ph.D. Project advise• Carlo Marcucci, M.D. CHUV • John D. Heiss, M.D. NIH USA• Christopher Bertram, Ph.D.• Lynne Bilston, Ph.D.• Vartan Kurtcuoglu, Ph.D., ETZ, CH

Thanks!

EPFL neurohydrodynamics team• Thiresia Yiallourou, EPFL, Ph.D. student• Benedict Danny, Royal Inst., M.S. student• Emelie Farine, M.S. student• Anass Chiki, M.S. student• Arthur Hirsch, EPFL, M.S. student• Shahim Kamal, EPFL LSMX, Ph.D. student• Serge Metarailler, EPFL, B.S. student• Leonie Asboth, EPFL, M.S. student• Christian Meuli, EPFL M.S. student• Aurélie Picquot, EPFL masters student• Adrien DeMuralt, EPFL masters student• Navid Borhani, Ph.D.Medical collaborators• Jan Novy, M.D. CHUV neurology• Lorenz Hirt, M.D., CHUV neurology• Celine Odier, M.D. CHUV neurology• Raphael Heinzer, M.D. CHUV sleep disorders• Jose Haba‐Rubio, M.D. CHUV sleep disorders• Andreas Gottaschalk, M.D., Germany • Alexander Bunck, M.D. Muenster, G.• Shahan Momjain, M.D., HUG, Switzerland• Bermans Iskandar, M.D. Univ. Wisc.

30

Page 31: MRI CSF (CFD) - IHIWGihiwg.org/wp-content/uploads/2012_bryn_martin.pdf · Work in progress: A. Bunck, J. R. Kröger, Bryn A. Martin, et al. “Magnetic resonance velocity mapping

31

Questions?


Recommended