MRI

1. MRI

2. Elnevezések • NMR - Nuclear Magnetic Resonance (magmágneses rezonancia) • MRI - Magnetic Resonance Imaging (mágneses rezonanciás képalkotás) • MR

3. Történeti áttekintés • 1946 - Felix Bloch & Edward Purcell - 1952 • NMR jelensége: a páratlan atomszámú atomok mágneses térben rezonálnak • 1971 - Damadian • normális és tumorszövet T1 és T2 relaxációs ideje eltér • 1973 - Paul Lauterbur • MRI: paprika • 1976 - Moor és Hinsaw • MRI: ember • 1987 - Magyarország

4. Áttekintés • az MRI alapelvei • a képalkotás résztvevői • mágnes • protonok • rádiófrekvenciás impulzus • tekercsek • grádiensek • biztonsági megfontolások • egy kép létrehozása: MRI szekvenciák • az MRI klinikai alkalmazásai • anatómiai ábrák • MR spektroszkópia • MR angiográfia • diffúziós technika • perfúziós technika • funkcionális képalkotás

5. A képalkotás résztvevői • mágnes • statikus elektromágneses mezőt állít elő • protonok • gerjednek (excitáció), majd visszaállnak (relaxáció) • rádiófrekvenciás impulzus • gerjeszti a protonokat • tekercsek • létrehozzák a rádiófrekvenciás impulzust és/vagy rögzítik a protonok által kiadott jelet • grádiensek • kis hozzáadott mágneses mezők a jel lokalizálására

6. Mágnesek • feltételek: • homogén mágneses tér • nagy térerő • megfelelő térfogat • típusok: • állandó mágnes • elektromágnes • nagy ellenállású • vasmagvú • légmagvú • szupravezető

7. Mágnesesség • 1 Tesla = 10 000 Gauss • földmágnesesség: 1 Gauss • MR készülékekben használatos: 0,5-3 Tesla • egy korszerű MR-készülékben a mágneses térerő akár 30 000-szer nagyobb, mint azon kívül • kutatási célra akár 8 Tesla

8. Állandó mágnes • állandó = permanens = stabil • pl. rúdmágnes, mágnespatkó • hátrány: • nagy súly (0,3 T  15 000 kg) • stabil külső hőmérsékletet igényel • előny: • nyitott mágnesként is használható

9. Szupravezető mágnes • szupravezető = szuperkonduktív • egyes fémek 4 K (=-269°C) hőmérsékleten szupravezetővé válnak, azaz elektromos ellenállásuk megszűnik • tekercs: niobium-titánium ötvözet • hűtés: cryogének (folyékony hélium, nitrogén) • előny: • stabil, tartós, homogén mágneses tér • nagy térerő • hátrány: cryogének miatt drága

10. A protonok • az atom részei: • proton (+) • neutron • elektron (-) • a protonoknak spinjük (perdületük) van, és elemi mágnesként (dipólus) viselkednek nukleon

11. A protonok(NuclearMagnetic Resonance Imaging) • A páratlan számú elektronnal rendelkező atomok magja„spinnel” rendelkezik a (= erős mágneses >>dipólusú momentum) Pl.: 1H , 13C, 19F, 31P, 23Na Ezen atomok protonjai excitálhatók a „rezonancia” jelenségnek köszönhetően • A hidrogénatommag az emberi test fő alkotóeleme (vízbenészsírban: 1019 hidrogén atommag van 1 mm3 szövetben) ezért orvosi MRI céljára ezt használjuk

12. É D A protonok Erős külső mágneses mező hatása az emberi testre A protonok a mágneses mezőben két irányba rendeződnek: parallel (spin „FEL”) vagy antiparallel (spin „LE”) irányba Spin „FEL”> spin “LE” mert ez az állapot alacsonyabb energiaszintet jelent

13. Precesszió • a protonok tengelyirányba beállva, imbolyogva pörögnek (~búgócsiga)

14. A protonok A protonok meghatározott sebességgel (= frekvenciával)forognak, amely arányos a mágneses mező intenzitásával = Larmor frekvencia Mágneses mező Larmor frekvencia A 1,5 Tesla = 64 MHz A 0,5 Tesla = 21.3 MHz

15. Larmor frekvencia ω • a precesszió sebessége • függ a kémiai szerkezettől és a hőmérsékletettől ( - gyromágneses együttható) • egyenesen arányos a külső mágneses térerő nagyságával (Bo) • 1,5 Tesla  64 MHz • 1 Tesla 42,6 MHz • 0,5 Tesla  21,3 MHz • energiát közölni csak ezen a meghatározott frekvencián lehet o=Bo

16. A rádiófrekvenciás (RF) impulzus(MágnesRezonanciásképalkotás) Egy elektromágneses hullám kibocsátása, melynek frekvenciája a rádióhullámok tartományába esik az RF impulzus hatása A protonok csak akkor nyelnek el energiát, ha az RF impulzussal azonos frekvencián precesszálnak = rezonancia jelenség mint két hangvilla

17. Az RF kettős hatása • a protonok energiát vesznek fel  magasabb energiaszintre lépnek • a vektor megfordul a transzverzális síkban longitudinális mágnesesség ↓ • a protonok precessziója azonos fázisba kerül  transzverzális mágnesesség ↑

18. Relaxáció • a gerjesztett állapot instabil  a RF hullám megszűnésekor elkezdenek visszaállni az eredeti állapotba

19. A longitudinális mágnesesség visszaáll  idővel exponenciálisan nő

20. A transzverzális mágnesesség eltűnik  az idővel exponenciálisan csökken

21. Relaxációs idők T1: 500-1000 ms T2: 50-100 ms MZ 63% 37% T1 idő T2 idő spin-rács idő: a longitudinális magnetizáció visszanyeréséhez szükséges idő spin-spin idő: a transversalis magnetizáció elvesztéséhez szükséges idő

22. Longitudinális relaxáció • spin-rács (spin-lattice) relaxáció • energia visszabocsátása a „rácsszerkezetbe” (azaz a molekuláris környezetbe) • zsír: gyors E leadás  T1 rövidebb • víz: gyors mozgású molekulák  E leadása lassú  T1 hosszabb

23. Transzverzális relaxáció • spin-spin relaxáció • fázisvesztés (deszinkronizáció) • protonok egymás közti kölcsönhatása • mágneses tér inhomogenitása: • gépi • szöveti: kicsiny lokális szöveti mágneses mezők • nem jár energia átadással • befolyásolja: • molekuláris szerkezet • halmazállapot • víz: inhomogenitások gyorsan kiegyenlítődnek  T2 idő hosszabb • zsír: T2 idő rövidebb

24. T1 idő • egy szövet T1 ideje a longitudinalis vektor 63%-os újraképződésének ideje milisecundumban kifejezve • (élő szövetekben: 200-2000 msec) • 2x T1 intervallum alatt az eredeti magnetizació 87%-a • 3x T1 intervallum alatt 95%-a épül fel

25. T1 idő • függ: • szöveti környezet • halmazállapot • Bo • pl: • zsír: rács  T1 gyors • víz: T1 lassú

26. T2 idő • egy szövet T2 ideje a transzverzális vektor 63%-os csökkenésének időtartama millisecundumban kifejezve • (élő szövetekben 30-100 msec) • 2x T2 intervallum alatt a transversalis magnetisationak már csak 13%-a, a harmadik T2 intervallum végére csupán 4%-a van jelen, azaz a protonoknak már csak 4%-a precesszál szinkronban a transversalis síkban

27. T2 idő • transzverzális relaxáció: • a szinkronba (fázisba) került protonok deszinkronizációja (fázisvesztése) • eredete: a mágneses tér inhomogenitása • helyi eredetű • műszer eredetű • pl: • vízben sok szabad molekula gyors mozgása  inhomogentiások gyorsan kiegyenlítődnek  T2 hosszú • zsírban a makromolekulák miatt az inhomogenitás nagyobb  T2 rövid

28. T1 és T2 súlyozás • minden szövetre jellemző egy adott T1 és T2 idő  el lehet különíteni • T1 súlyozott képen a szöveti kontrasztot a szövetek T1 idejeinek különbsége határozza meg • T2 súlyozott képen a szövetek megjelenését a T2 idő határozza meg

29. T1 és T2 súlyozás • T1 súlyozás: • rövid TE - TR • T2 súlyozás: • hosszú TE - TR

30. A jelintenzitást befolyásoló tényezők: • TR (repeticiós idő): • az az időtartam, melyet a longitudinalis mágneses vektor újraépüléséhez biztosítunk (= a 90°-os RF impulzusok ismétlésének időintervalluma)

31. TR • rövidebb TR jobban hangsúlyozza a T1 relaxációs görbék közötti különbséget: a rövid T1 idejű szövetek jele erős (fényes), a hosszú T1 idejűek jele gyenge (sötét) Ha elnyújtjuk a TR-t = ritkábban adjuk az impulzusokat - ez a jeladásbeli különbség egyre csökken, míg végül megszűnik az egyes szövetek közt.

32. Hosszú TR: > 1500 ms • hosszú TR-es mérés esetén eltűnik a T1 idők közti különbség  a képet csak a protondenzitás határozza meg

33. Rövid TR < 500 ms • a rövid TR-es mérés T1 súlyozott (TR <7oo ms)

34. A jelintenzitást befolyásoló tényezők: • TE (echo idő): • az az időpont, amikor a T2 relaxáció során mérjük a jelet

35. TE idő • hosszú TE esetén az egyes szövetek közti transverzális mágnesezettségbelikülönbségek nőnek • a hosszú T2 idejű szövetek jele erősebb (fényes), a rövid T2 idejűek jele gyengébb (sötét): a hosszú echoidővel a szövetek közti T2 relaxációbeli különbségeket tudjuk hangsúlyozni • a TE tehát a T2 relaxációs idejük szerint hangsúlyozza a szöveteket (T2 súlyozás), mégpedig a TR idő függvényében egyre növekedve

36. Szekvenciák • szekvencia: • különböző rádiófrekvenciás (RF) impulzusok sorozata Az impulzusoktól függően: • spin echo (SE) • inversion recovery (IR) • gradiens echo (GRE) Az impulzusok közti idők határozzák meg a súlyozottságot.

37. Spin echo szekvencia RF – rádiófrekvenciás impulzus S – jel (signal) TR – repetíciós idő TE – echo idő

38. Inversion recovery szekvencia TI – inverziós idő • zsírelnyomásos STIR: TI = 130 ms • vízelnyomásos FLAIR: TI = 2000 ms

39. Gradiens echo szekvencia RF – a flipszög 0-90 fok között G – mágneses tér gradiens

40. Spin echo szekvenciák • tükrözi a T1 és T2 relaxációt, a protondenzitást és érzékeny az áramlási jelenségekre • a 90˚-os impulzus megszűnésekor a fázisvesztés miatt a protonok transzverzális mágneses vektora gyorsan csökken • az echoidő felénél újabb 180˚-os impulzust adunk • a gyorsabb precessziójú spinek pillanatnyi hátrányba kerülnek, de a teljes echoidő lezajlásának idejére utolérik a lassúbb spineket • a relaxáció jelensége ugyanazon TE idő alatt megduplázódik

41. rövid T1 (zsír) Spin echo szekvenciák hosszú T1 (víz) • T1 súlyozott • TR rövid (<7oo ms) • TE rövid (<2o ms) • minthogy a T2 relaxáció már 1o ms alatt megindul, tisztán T1 súlyozás nem érhető el, konvencionálisan azonban ezeket a képeket T1 súlyozottnak fogadjuk el • a rövid repeticiós idővel (TR) jól tudjuk hangsúlyozni a T1 relaxációbeli különbségeket, viszont a rövid echo idő (TE) még nem engedi érvényesülni a szövetek T2 relaxáció szerinti különbségeit • a mérés ideje viszonylag rövid, több mérés átlagolására van lehetőség. (NEX > 1)

42. Spin echo szekvenciák: • PD (kiegyensúlyozott, vagy proton denzitás) • TR hosszú (2ooo ms) • TE rövid (3o ms) • a hosszú repeticiós idő (TR) elfedi a T1 relaxációbeli különbségeket, a rövid echo idő (TE) még nem engedi érvényesülni a szövetek T2 relaxációbeli különbségeit • így a kapott jel csakis a szövetekben jelenlévő protonok számától (proton denzitás) függ, a szöveti kontraszt pedig gyenge, mert az élő szövetek protonsűrűsége nem különbözik egymástól olyan jelentősen • mérési idő hosszú (NEX korlátozott)

43. Spin echo szekvenciák hosszú T2 (víz) rövid T2 (zsír) • T2 súlyozott • TR hosszú (>2ooo ms) • TE hosszú (8o-12o ms) • a hosszú repeticiós idő (TR) elfedi a T1 relaxációbeli különbségeket, viszont a hosszú echo idő (TE) miatt a T2 -beli különbségek jól megmutatkoznak • így a kép jelviszonyait a T2 relaxációbeli különbségek határozzák meg • mérési idő hosszú (NEX korlátozott)

44. A szöveti kontrasztviszonyokat befolyásoló tényezők: • protonsűrűség • longitudinális relaxatios idő (T1) • transversalis relaxatios idő (T2) • kémiai eltolódás (v.s. rezonancia frequentia) • mágnesezhetőség (susceptibilitás) • áramlási, perfusios, molekuláris mozgások

45. A jelintenzitást növeli: • a protonsűrűség növekedése • a T2 (transversalis) relaxatios idő megnyúlása • a T1 (longitudinális) relaxatiós idő csökkenése

46. A jelintenzitást csökkenti: • a protondenzitás csökkenése • a T2 (transversalis) relaxatios idő rövidülése • a T1 (longitudinalis) relaxatios idő növekedése

47. T1 súlyozással erős jeladó elváltozások • zsír (fehérállomány: myelinhüvely) • nagy proteintartalom (cysták) • áramlási jelenség (lassú, széli, "inflow") • haemorrhagia: subacut v. chronicus (intra- v. extracellularis methaemoglobin) • melanin (tumorban) • paramágneses fémek (vas, réz, mangán -Wilson kór), dystrophiás calcificatio • paramágneses kontrasztanyag

48. T2 súlyozással erős jeladó elváltozások • Folyadékok (nem proteintartalmú) CSF, vizelet, cysták, vérömlenyek • A legtöbb pathológiás elváltozás (tu, gyulladás), ahol a folyadéktartalom nőtt • Lassú áramlás

49. Kiegyenlítő tekercsek • shimming coils • a mágneses tér inhomogenitásainak kiegyenlítésére

50. RF antennák • RF tekercsek • a mágneses vektor transzverzális komponense elektromágneses jelet gerjeszt, mely tekercsekkel szinuszhullámként detektálható • adó-vevő: alkalmasak a RF impulzus leadására vagy a kisugárzott jel vételére