FYS-KJM Magnettomografi-del Introduksjon Prof. Atle Bjørnerud, UiO, Rikshospitalet

Transkript

1 FYS-KJM 4740 MR-teori og medisinsk diagnostikk Magnettomografi-del Introduksjon Prof. Atle Bjørnerud, UiO, Rikshospitalet Course holder: frederic Courivaud: FYS-KJM Litteratur og undervisningsmateriale: Kompendium: The Physics of Magnetic Resonance Imaging Tekstbok: Magnetic Resonance Imaging Marinus T. Vlaadingerbroek Jacques A. den Boer Kap Lab-øvelser FYS-KJM

2 Lastes ned fra: FYS-KJM MR-kompendium 1. The Bloch equation, excitation and relaxation 2. MR Hardware 3. Image Formation 4. Pulse sequences an introduction 5. MR signal behaviour and image contrast 6. Steady state sequences 7. Accelerated k-space trajectories (EPI and RARE) 8. Image quality, signal, contrast and noise 9. Magnetic susceptibility 10. Spins in motion (flow, diffusion, angio) 11. Contrast agents in MRI 12. Advanced imaging methods perfusion, DTI, fmri FYS-KJM

3 Fremdriftsplan forelesninger Mars: 9.3 Kap 1 ; Intro, Bloch-equation, exitation, precession and relaxation 16.3 Kap 2,3; Image Formation k-space formalism; Introduction to Pulse sequences MR signal behaviour and image contrast 23.3 Kap 4, 5; MR signal behaviour & contrast, Steady-state sequences (I) 30.3 PÅSKE April: 6.4 Kap 5,6; Steady-state sequences (II), Accelerated K-space trajectories (EPI, RARE) 13.4 Kap 7, 8. Magnetisation preparation, Image Quality, signal contrast and noise 20.4 Kap 9, 10. Off-resonance effects, spins in motion, flow effects 5 Fremdriftsplan 27.4 Kap 11, 12 MR Contrast agents, Advanced CA applications (I) Mai 4.5. INGEN FORELESNING 11.5 Kap 12, 13 Advanced CA applications (I), MR Angio, 18.5 Kap 14. Advanced imaging methods; perfusion, diffusion, etc 25.5 Repetisjon Q&A FYS-KJM

4 Noen få medisinske uttrykk FYS-KJM Noen få medisinske uttrykk Nevrologi: Hode og rygg (nervebaner) Kardiologi: Hjerte Thorax: Brystområdet (hjerte, lunge) Ortopedi: Muskler, skjelett, ledd Gastrologi: Organer i magen (lever, nyrer, bukspyttkjertel, milt) og tarm Nefrologi: Nyrestudier Angiografi: Fremstilling av blodårer Gynokologi: Kvinnens underliv Urologi: Mannens underliv (blære, prostata FYS-KJM

5 Noen få medisinske uttrykk Radiolog: Lege spesialist i røntgenfaget. Tolker bilde-materialet. Radiograf: Utfører avbildningene. 3 års fagutdanning FYS-KJM Noen få medisinske uttrykk Axial eller transversal Sagital Coronalt Oblique: Dreid snitt i et plan Dobbel Oblique: Dreid snitt i to plan FYS-KJM

6 Noen få medisinske uttrykk axialt coronalt sagittalt FYS-KJM Noen få medisinske uttrykk Cervical 7 virvler Thorakal 12 virvler Lumbal 5 virvler Sacralt 5 virvler FYS-KJM

7 Noen få MR- uttrykk dy dx Snitt-tykkelse Field-of-view (FoV) N x pixler Pixel (picture elemenet) Voxel (volume element) Romlig oppløsning (mm): dx= FoV x /N x dy= FoV x /N x Typisk MR-oppløsning: FYS-KJM mm 5 mm 13 Historikk 1946: NMR-fenomenet beskrevet av Bloch & Purcell 1952: Nobelspris Bloch & Purcell : NMR (spektroskopi) utviklet som analytisk verktøy 1972: Computertomografi (CT) 1973: Første forsøk på bildedannende MR (Lauterbur) 1975: Fourier Imaging (Ernst) 1977: Ekkoplanar (EPI) opptakmetode (Mansfield) 1980: MRI første kommersielle MR-scannere 1988: RARE opptaksmetode (Henning) 1990: Kontrastforsterket MR Angio (Prince) 1990: BOLD-prinsipp fmri (Ogawa) 1991: Nobelspris - Ernsts 2003: Nobelspris - Lauterburg & Mansfield Mars 2006 FYS-KJM

8 Historikk Tumor deteksjon ved hjelp av NMR Raymond Damadian Spin echo nuclear magnetic resonance measurements may be used as a method for discriminating between malignant tumors and normal tissue. Measurements of spin-lattice (T1) and spin-spin (T2) magnetic relaxation times were made in six normal tissues in the rat (muscle, kidney, stomach intestine, brain and liver) and in two malignant solid tumors, Walkers sarcoma and Novikoff hepatoma. Relaxation times for the two malignant tumors were distinctly outside the range of values for the normal tissues studied... Raymond Damadian Science 171:1151, 1971 Mars 2006 FYS-KJM Historikk Damadian bygger på midten av 70-tallet den første helkropps skanner og tar i 1977 det første MRI bildet av menneske kroppen. Raymond Damadian Mars 2006 FYS-KJM

9 Historikk Zeugmatografi Paul Lauterbur I Lauterburs artikkel foreslås det for første gang å anvende magnetfelt gradienter kombinert med et homogent magnetfelt og radiopulser for å skape et NMR signal med romlig informasjon. Kombinasjonen av radiopulser og gradient felt kalte Lauterbur Zeugmatografi, fra gresk: det som blir brukt for å bringe sammen. Mars 2006 FYS-KJM Historikk Zeugmatografi Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance. Paul Lauterbur Nature 242:190, 1973 Første MRI bilde Mars 2006 FYS-KJM

10 Historikk Fourier imaging Plan måling Signal f(x) Mars 2006 FYS-KJM Historikk 70-tallet brukes til å utvikle stadig mer effektive datainnsamlings og rekonstruksjons metoder I 1979 publiserer Jim Hutchison i Aberdeen en metode som gir MR-signalet en kombinasjon av frekvens og fase informasjon. Rådata informasjonen konverteres ved hjelp av Fourier transformasjon til et MRI bildet. Metoden kalles spin-warp imaging og blir standard avbildnings teknikk for alle scannere frem til i dag I 1980 er den første skanner i daglig klinisk bruk ved universitetshospitalet i Aberdeen Mars 2006 FYS-KJM

11 Historikk Mark 1, Aberdeen Mars 2006 FYS-KJM Historikk Stavanger april 1986 Mars 2006 FYS-KJM

12 Historikk Stockholm 2004 Paul Lauterbur Sir Peter Mansfield Mars 2006 FYS-KJM Antall Historikk : 1maskin/ innbyggere. Nasjonal MR utbredelse År Nasjonalt: Offentlig og privat: Primært et nevrologi og ortopeditilbud Mars 2006 FYS-KJM 4740 Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk 24 12

13 Historikk/nåtid Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Internasjonal sammenligning 2000-tall (antall innbyggere/mr-enhet): Norge Sverige Danmark Finland Tyskland Italia Spania England Frankrike Japan USA Mars 2006 FYS-KJM Today s MRI Digital waveform memory amplitude modulation Freq. ref. Freq. synthesizer 0 power-amp 0 Gate To transmit coil 0 O 90 O Phase shifters Magnet Low-pass filter +/- 0 A Mixer pre-amp receiver sample and RF-coils - 0 A B B Mixer NMR-signal RF-shield (Faraday cage) ADC A B Quadrature detector Signal processing Mars 2006 FYS-KJM

14 Modern scanner 70 s The prototype MR equipment in Aberdeen with Jim Hutchison MR-fysikerens oppgaver Mars 2006 FYS-KJM

15 MR-fysikerens oppgaver Arbeidsoppgaver: - Rådgiver ved innkjøp av nytt utstyr og oppgradering av gammelt - Innsikt/kunnskap i maskinens parameter valgmuligheter - Optimaliserer undersøkelsesprotokoller - Oversikt over teknologiutviklingen - Primærleverandør av protokollforslag i forskning og klinikk - Drive egenforskning og delta i forsknings team - Teknisk og fysisk kvalitetskontrollør Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Arbeidsoppgaver: - Primær vurderer/underviser når det gjelder sikkerhetsaspekter ved bruk av MR. - Postprosessering av bildedata - Teoretisk innsikt og forståelse - Forklare bilde-artefakter - Håndtere medisinkse bildeformat (DICOM-standarden) - Underviser ved lokale og nasjonale MR-kurs Mars 2006 FYS-KJM

16 MR-fysikerens oppgaver Innkjøp: Vurdere innholdet av de ulike leverandørers software pakker Vurdere maskinenes hardware-ydelse Evaluere firmaet service-avtale og service-kvalitet Etablere forsknings-samarbeid med levrandør Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Parameter-innsikt: Mars 2006 FYS-KJM

17 MR-fysikerens oppgaver Sekvens/protokoll innsikt: Bloch likninger dm x dt dm y dt dm z dt = (M r B) x - M x T 2 = (M r B) y - M y T 2 = (M r B) z + M 0 - M z T 1 Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Sekvens innsikt: Mars 2006 FYS-KJM

18 MR-fysikerens oppgaver Optimaliere MR-protokoller: Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Fikse / forklare artefakter: Mars 2006 FYS-KJM

19 MR-fysikerens oppgaver Analyse av geometrisk distorsjon FoV z x Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Analyse av Bo-homogenitet Mars 2006 FYS-KJM

20 Hvordan måle T2* i hjernen? Multi-ekko opptak Eksponensiell kurvetilpasning: S=S o exp(-te/t2*) SI 20 ms TE 200 ms BOLD - optimal TE SI=exp(-R2*(a)TE)-exp(-R2*(b)TE) TE opt = ln(r2*(b))-ln(r2*(a))/(r2*(b)-r2*(a)) SI R2*(b) R2*(a) SI TE opt 1/T2*= R2 * TE Optimal TE avhenger av R2* i baseline : Feltstyrke Shim-kvalitet Lokal variasjon i TE opt TE 20

21 Optimal TE (ms) > <10 Optimal TE Basert på normaliserte T2* kart (n=6) 21

22 MR-fysikerens oppgaver Sikkerhet: Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Sikkerhet: Mars 2006 FYS-KJM

23 MR-fysikerens oppgaver Implementere nye metoder: Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Implementere nye metoder: Lese (og forstå) relevante referanser Har vi sekvensene som behøves Hvis ikke kan vi få de av noen andre Hvis ikke kan vi programmere de selv? Hva kreves av bildeprosessering? Klinisk validering? Mars 2006 FYS-KJM

24 MR-fysikerens oppgaver Post-prosessering: Bildeanalyse utover det som finnes som standardmetoder på skanner: Segmentering Kvantitative beregninger Fusjonere ulike modalitets data Beregne volum Generere parametriske bilder: Perfusjon, permeabilitet, diffusjon etc Funksjonell analyse UIO 4 40 Mars 2006 FYS-KJM Fys-Kjm Muligheter/kompleksitet CT: Elektrontetthet Atomnummer 2 ulike mekanismer Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Kontrastmuligheter MR: T1 T2 Protontetthet Diffusjon Perfusjon Temperatur ph T2* Flow Elastisitet MTC Kontrastmiddel Atomnummer Molekyl Vevsundertrykking 15 ulike mekanismer Mars 2006 FYS-KJM

25 Muligheter/kompleksitet Teknisk kompleksitet (hode studium) CT: 15 protokoller 12 parametervalg MR: 322 protokoller parametervalg Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Mars 2006 FYS-KJM Vurdering av medisinsk bildediagnostikk: Dr.Med J.T. Geitung +++ Konkluderende ++ Meget god + Kan brukes 0 Skal ikke brukes MR beste metode Mars 2006 FYS-KJM

26 Muligheter Hode (kaput) T1 vektet SE T2 vektet SE T1 vektet IR Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Hode Grå hjernesubstans Hvit hjernesubstans Mars 2006 FYS-KJM

27 Muligheter Hode - Diffusjon - Perfusjon - fmri Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver 3D-modellering av funksjonell og morfometriske data : Mars 2006 FYS-KJM

28 MR-fysikerens oppgaver Modellering av kontrastmiddeleffekt: K ps (permeabilitet) Mars 2006 FYS-KJM MR-fysikerens oppgaver Mars 2006 FYS-KJM

29 Funksjonell (dynamisk) MR-avbilding Blodvolum Perfusjon Mars 2006 FYS-KJM Biopsi-planlegging Mars 2006 FYS-KJM

30 fmri Mapping av motorisk cortex Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Hode Fasekontrast og kontrast-forsterket angiografi Mars 2006 FYS-KJM

31 Muligheter Thorax Fremstilling av blodårer i Thorax Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Abdomen Fremstilling av aorta og nyrearteriene Mars 2006 FYS-KJM

32 Muligheter Nakke/hals T2 vektet cervical columna Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Rygg T1 og T2 vektet total columna Mars 2006 FYS-KJM

33 Muligheter Rygg Fremstilling av nerverøtter Ved hjelp av fettsuppresjon Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Hjerte Mars 2006 FYS-KJM

34 Muligheter Hjerte Dynamisk hjerteperfusjon Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Abdomen Ulike kontrastvektinger gjennom abdomen Mars 2006 FYS-KJM

35 Muligheter Abdomen Fremstilling av tykktarm og tynntarm Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Abdomen Avbildning av foster Mars 2006 FYS-KJM

36 Muligheter Ledd Kneledd med vannseleksjons Fotledd med fettsuppresjon Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Micro-MR Finger Øyepatologi Mars 2006 FYS-KJM

37 Muligheter Macro-MR Helkropps MR, T2 og T1 vektet Mars 2006 FYS-KJM Muligheter Macro Underekstremitets angiografi Mars 2006 FYS-KJM

38 Slutt på intro Da begynner alvoret. 38