MR-fysikk

1
MR-fysikk

• Lars Ersland
• Medisinsk Teknisk Avdeling
• Haukeland Sykehus

2
MR - forkortelser

• (N)MR (Nuclear) Magnetic Resonance
• MRI Magnetic Resonance Imaging
• MRT Magnetic Resonance Tomography
• MRS Magnetic Resonance Spectroscopy
• MRA Magnetic Resonance Angiography

3
Magnetisk Resonans Imaging (MRI)

• Historikk
• Hovedkomponenter i et MRI-system
• Fenomenet NMR

• Sikkerhet- Statisk B0 felt- Gradient felt- RF
  felt

4
Historikk

• 1923 W.Pauli oppdager fenomenet
  kjernespinnresonans
• 1946 De amerikanske forskerne Felix Bloch og
  Edward Purcell la grunnen for det som siden
  skulle utvikle seg til MRI. De beskrev uavhengig
  av hverandre fenomenet NMR, og fikk i 1952 Nobel
  prisen i fysikk for denne oppdagelsen.

5
Historikk (fortsetter)

• 1970 Proposal av Lauterbur introduserer MRI
• 1979 Det første MRI snittbildet (Lauterbur)
• 1986 Første MRI-innstallasjon i Norge (Stavanger)

6
Hva er MRI

• Magnetisk Resonanstomografi, MRI, er en relativt
  ny billedgivende diagnosemetode.
• Istedenfor røntgenstråling utnyttes i MRI en
  kombinasjon av magnetfelt og radiobølger sammen
  med en kraftig datamaskin for billed-dannelse og
  analyse.

7
Hva er MRI (fortsetter)

• På dataskjermen presenteres snittbilder av
  pasientens indre.
• Vilkårlige plan kan avbildes direkte.
• Ulike former for rekonstruksjon og billed
  analyse-teknikker er tilgjengelige
• Rekonstruksjon MPR, MIP
• Billedanalyse binæropperasjoner, statistikk,..

8
Posisjonering
9
Posisjonering EPI-opptak
Sagitalt snitt
Aksiale snitt
10
Komponenter i et MRI-system

• Kraftig Magnet
• Gradientspoler
• Radio-sender og mottaker-enhet
• Kraftig prosesseringsenhet (datamaskin)

11
MR-maskinen
SIEMENS Magnetom VISION
B01.5 Tesla
Erling Andersen
12
MR-hodespole
Erling Andersen
13
Pasient/Forsøksperson
Erling Andersen
14
Kjerne-spinn

• Protoner og nøytroner har en kvantefysisk
  egenskap kalt spinn.
• Spinner om sin egen akse
• Protoner har positiv ladning. Nøytroner er
  nøytrale.
• De enkelte protoner/nøytroner danner par som
  spinner i motsatt retning. Bare kjerner med et
  odde antall protoner/nøytroner har et
  observerbart spinn.

15
Hydrogen protonet

• I MRI-sammenheng brukes utelukkende
  hydrogenatomet 1H.
• Hydrogen atomet består av kun ett proton. Det har
  derfor både spinn og magnetisk moment.
• Hvert av 1H-protonene kan betraktes som en liten
  magnet som spinner om sin egen akse, og der
  magnet-feltets retning er nord-syd langs
  spinn-aksen.

16
Hydrogen protonet (fortsetter)

• 1H-atomet er det mest egnede i MRI-sammenheng
  fordi det er mye av det i kroppen og fordi det
  produserer det kraftigste signalet av alle
  vanlige stabile atomkjerner.

17
Høyrehåndsregelen

• Høyrehåndsregelen forteller oss
  magnetfeltretningen i forhold til spinnretningen.

18
Kvantisering av spinn
19
Netto magnetisering
20
Presessering

• Enkeltprotoner og resultant magnetisering
  presesserer rundt B0 med frekvens f0.

21
Kjerne Spinn Resonans

• Resonansbetingelse
• Resonansfrekvensen (Larmor frekvensen),
  
• Gyromagnetisk konstant.
• B0 Pålagt statisk magnetfelt.
• Eks1. B01.0 Tesla gt f042Mhz
• Eks1. B01.5 Tesla gt f063Mhz

22
Kvantisering av spinn
23
Free Induction Decay (FID)
24
Billedparametre

• T1 relaksasjonstid
• T2 relaksasjonstid
• Protontetthet

25
T1 relaksasjonstid
26
T2 - Vevsavhengig defasing i xy-planet

• T2 - Vevsavhengig defasing defasing pga.
  innhomogeniteter i B0

27
Defasing
28
T1 kurver for ulike vev
29
T2 kurver for ulike vev
30
Billed dannelse

• Gradientsystemet
• Snittvalg og oppbygning av billedpunkter skjer
  ved et ekstra, kontrollerbart magnetfelt,
  overlagret B0. Dette kalles gradientfelt.
• Gradientfelt i Z, Y og X-retningen.

31
Gradient-spoler
32
Bilde generering
33
Snittvalg
34
Snittvalg
35
X gradienten
36
Y gradienten
37
RAW-data
38
MR Sikkerhet

• Statisk magnetfelt (B0)- Biologiske effekter -
  Mekaniske effekter
• RF effekter- Varme utvikling,
  Brann-skader.- Biologiske effekter (ikke
  termiske)

• Virkninger av alternerende gradient-felt (dB/dt)
• Auditive/støy effekter.
• Cryogen
• Intravenøs kontrast
• MR og graviditet
• MR og pacemakere
• Psykologiske aspekter (for eksempel
  klaustrofobi)

Ref. http//kanal.arad.upmc.edu/mrsafety.html
39
Frekvens spekter
40
Statisk magnetfelt (B0), biologiske effekter

• Flere strukturer i kroppen blir påvirket av B0,
  bl.a.retina, pineal gland (corpus pineale) og
  noen celler i paranasal sinuses (nesebihulene).
  (paramagnetisk melanin)
• Det er vist at røde blodlegemer endrer form og
  posisjon i forhold til et ekstern magnetfelt. Av
  størrelsesorden er dette en liten effekt, og en
  har ikke funnet noen klinisk signifikans.
• Fotoreseptorceller i øyet stiller seg inn i
  forhold til B0Ingen klinisk effekt.

41
Statisk magnetfelt (B0), biologiske effekter
(fortsetter)

• Visuell stimuli er rapportert som følge av
  bevegelse avglobe(øyeeple)/retina under
  påvirkning av kraftig magnetfelt.
• Svimmelhet, hodepine og metallisk smak i munnen
  er raportert fra forskermiljø med B0gt4Tesla
• Konklusjon Ingen skadelige biologiske effekter
  fra det statiske magnetfelt B0, anvendt i
  MRI-sammenheng, så langt. Det er stor
  forskningsaktivitet på området med forskjellige
  dyremodeller og ved ulike feltstyrker.

42
Statisk magnetfelt (B0), mekaniske effekter

• Ferromagnetiske objekter i nærheten av
  MR-enhetenskalpeller, oksygenkolber, sakser
  osv. blir prosjektiler
• Magnetkort Bankkort, busskort osv. tåler ca
  20mT.
• Implantater Anurisme-klips, stenter,
  metall-partikler i øyet, metallpartikkler etter
  operative inngrep, proteser, osv. Dette
  representerer en fare for pasienten i
  MR-maskinen.

43
RF-effekter, varmeutvikling

• RF-effekt deponering øker med kvadratroten av
  feltstyrken.
• Global og lokal oppvarming av vev er avhengig av
  en rekke faktorer - Hvilken spole som er
  sender-spolen - Type MRI-opptak, TSE, GRE,
  osv. - MR-opptaksparametre FOV, TE, TR, antall
  snitt osv. - Pasientens vekt.
• Kontroll av at estimert temperaturstigning,
  lokalt, ikke overskrider ca. 1o C skjer i
  hardware i MR-maskinen (SAR)

44
RF-effekter, varmeutvikling

• Forbrenning i forbindelse med ledende objekter
  mot bar hud er rapportert flere ganger ved
  feltstyrker 1 Tesla.
• Forbrenning forårsakes av induserte spenninger
  og sekundære resistive tap i pasientens vev.
• Forbrenninger kan typisk forekomme ved -
  Ledninger mot bar hud - Tatoveringer (inneholder
  ofte metall) - Sminke - Implantater av ulike
  slag

45
RF-effekter (ikke termiske)
46
Dedikerte systemer
47
Dedikerte systemer
48
Dedikerte systemer
49
(No Transcript)
50
Spoler
Phased Array Ankel
Phased Array Kne.
Phased Array Håndledd
51
Spoiled FLASH
52
EPI (Echo planar imaging)
RF
Seleksjon
Frekvens
Fase
Signal
tid