FYS-KJM Magnettomografi-del Introduksjon

Transkript

1 FYS-KJM 4740 MR-teori og medisinsk diagnostikk Magnettomografi-del Introduksjon Atle Bjørnerud, Rikshosptialet

2 Litteratur og undervisningsmateriale: Kompendium: The Physics of Magnetic Resonance Imaging Tekstbok: Magnetic Resonance Imaging Marinus T. Vlaadingerbroek Jacques A. den Boer Kap Lab-øvelser

3 Lastes ned fra:

4 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 11. Magnetic susceptibility 12. Spins in motion (flow, diffusion, angio) 13. Contrast agents in MRI 14. Advanced imaging methods perfusion, DTI, fmri

5 Teoridel: - UIO Målsetning og motivasjon for kurset Noen få medisinske uttrykk MR-fysikerens oppgaver Historikk Hardware oversikt MRI maskinens muligheter Kompendium Fys-

6 Målsetting og motivasjon Basert på materiale utarbeidet av Kjell-Inge Gjesdal, PhD, Sunnmøre MR-klinikk

7 Målsetting og motivasjon - - Skape interesse for både hovedfags studier og doktorgrads studier innen MRI Legge grunnlag for flere MR fysikere på norske sykehus (<15 MR-fysikere totalt på norske sykehus i dag) Legge grunnlaget for rekruttering til industri Legge grunnlaget for rekruttering til forskningsinstitusjoner Tilby kurs for profesjonelle helsearbeidere

8 Noen få medisinske uttrykk

9 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

10 Noen få medisinske uttrykk Radiolog: Lege spesialist i røntgenfaget. Tolker bilde-materialet. Radiograf: Utfører avbildningene. 3 års fagutdanning

11 Noen få medisinske uttrykk Aksial eller transversal Sagittal Koronal Oblique: Snitt dreid i et plan Dobbel Oblique: Snitt dreid i to plan

12 Noen få medisinske uttrykk axialt coronalt sagittalt

13 Noen få medisinske uttrykk Cervical 7 virvler Thorakal 12 virvler Lumbal 5 virvler Sacralt 5 virvler

14 Noen få MR- uttrykk dy dx Snitt-tykkelse Field-of-view (FoV) Nx pixler Pixel (picture elemenet) Voxel (volume element) Romlig oppløsning (mm): dx= FoVx/Nx dy= FoVx/Nx Typisk MR-oppløsning: 0.5 mm 5 mm

15 Historikk

16 Historikk 1946: 1952: : 1972: 1973: 1975: 1977: 1980: 1988: 1990: 1990: 1991: 2003: NMR-fenomenet beskrevet av Bloch & Purcell Nobelspris Bloch & Purcell NMR (spektroskopi) utviklet som analytisk verktøy Computertomografi (CT) Første forsøk på bildedannende MR (Lauterbur) Fourier Imaging (Ernst) Ekkoplanar (EPI) opptakmetode (Mansfield) MRI første kommersielle MR-scannere RARE opptaksmetode (Henning) Kontrastforsterket MR Angio (Prince) BOLD-prinsipp fmri (Ogawa) Nobelspris - Ernsts Nobelspris - Lauterburg & Mansfield

17 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

18 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

19 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.

20 Historikk Zeugmatografi Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance. Paul Lauterbur Nature 242:190, 1973 Første MRI bilde

21 Historikk Signal Fourier imaging Plan måling f(x) FYS-KJM 4740

22 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

23 Historikk Mark 1, Aberdeen

24 Historikk Stavanger april 1986

25 Historikk Stockholm 2004 Paul Lauterbur Sir Peter Mansfield

26 Historikk Antall Nasjonal MR utbredelse 2005: 1maskin/ innbyggere År Nasjonalt: Offentlig og privat: Primært et nevrologi og ortopeditilbud Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk

27 Historikk/nåtid Internasjonal sammenligning 2000-tall (antall innbyggere/mr-enhet): Norge Sverige Danmark Finland Tyskland Italia Spania England Frankrike Japan USA Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk

28 Dagens MR

29 Dagens MR Digital waveform memory Freq. ref. amplitude modulation power-amp Freq. synthesizer ω 0 ω 0 Gate To transmit coil Magnet Phase shifters 0O Low-pass filter ω+/- ω0 90 O A Mixer A A ωω0 AD C pre-amp ω receiver sample and RF-coils B B B Signal processing Mixer Quadrature detector NMR-signal RF-shield (Faraday cage)

30 MR-fysikerens oppgaver

31 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

32 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

33 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

34 MR-fysikerens oppgaver Parameter-innsikt:

35 MR-fysikerens oppgaver Sekvens/protokoll innsikt: Bloch likninger dmx Mx = γ (M B)x dt T2 dmy My = γ (M B)y dt T2 dmz M0 - Mz = γ (M B)z + dt T1

36 MR-fysikerens oppgaver Sekvens innsikt:

37 MR-fysikerens oppgaver Optimaliere MR-protokoller: Kan vi få bedre T2-bilder??

38 MR-fysikerens oppgaver Fikse / forklare artefakter: Hva gikk galt her?

39 MR-fysikerens oppgaver Analyse av geometrisk distorsjon FoVz x x = χ B0 / G x

40 MR-fysikerens oppgaver Analyse av Bo-homogenitet

41 Hvordan måle T2* i hjernen? Multi-ekko opptak Eksponensiell kurvetilpasning: SI S=Soexp(-TE/T2*) 20 ms TE 200 ms

42 BOLD - optimal TE R2*(a) TEopt = ln(r2*(b))-ln(r2*(a))/(r2*(b)-r2*(a)) SI SI SI=exp(-R2*(a)TE)-exp(-R2*(b)TE) R2*(b) TE Optimal TE avhenger av R2* i baseline : Feltstyrke Shim-kvalitet Lokal variasjon i χ TEopt 1/T2*= R2* TEopt TE

43 Optimal TE (ms) > <10

44 Optimal TE Basert på normaliserte T2* kart (n=6)

45 MR-fysikerens oppgaver Sikkerhet:

46 MR-fysikerens oppgaver Sikkerhet:

47 MR-fysikerens oppgaver Implementere nye metoder: Kan vi gjøre dette her?

48 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?

49 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

50 Muligheter/kompleksitet CT: Kontrastmuligheter Elektrontetthet Atomnummer 2 ulike mekanismer Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk MR: T1 T2 Protontetthet Diffusjon Perfusjon Temperatur ph T2* Flow Elastisitet MTC Kontrastmiddel Atomnummer Molekyl Vevsundertrykking 15 ulike mekanismer

51 Muligheter/kompleksitet Teknisk kompleksitet (hode studium) CT: 15 protokoller 12 parametervalg Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk MR: 322 protokoller parametervalg

52 Vurdering av medisinsk bildediagnostikk: Dr.Med J.T. Geitung +++ Konkluderende ++ Meget god + Kan brukes 0 Skal ikke brukes MR beste metode Problem Akutt Hode, svulst Hode, blødning Hjerneinfarkt Blodårer, hode Blodårer, hals Hjerte Lunger Lever Bukspyttkjertel Tarm Sentrale blodårer Perifere blodårer Muskler Skjelett, svulst Skjelett, brudd Ledd Nyrer, svulst Nyrer, funksjon Urinledere Rygg, prolaps Rygg, skade Rygg, svulst Kvinnelig bekken Mannlig bekken MR? ? (+) CT (+) ++ (+) (+) (+) + (+) Ultralyd (+) Rtg (angio) +++ (angio) ++ (angio) (angio) ++ (angio) (+)

53 Muligheter Hode (kaput) T1 vektet SE T2 vektet SE T1 vektet IR

54 Muligheter Hode Grå hjernesubstans Hvit hjernesubstans

55 Muligheter Hode - Diffusjon - Perfusjon - fmri

56 MR-fysikerens oppgaver 3D-modellering av funksjonell og morfometriske data :

57 MR-fysikerens oppgaver Modellering av kontrastmiddeleffekt: t Kps (permeabilitet) C (t ) = K ps C0 e (t φ ) dφ + BV C0 e t R1 / 2 0

58 MR-fysikerens oppgaver

59 Funksjonell (dynamisk) MR-avbilding Blodvolum Perfusjon

60 Biopsi-planlegging

61 fmri Mapping av motorisk cortex

62 Muligheter Hode Fasekontrast og kontrast-forsterket angiografi

63 Muligheter Thorax Fremstilling av blodårer i Thorax

64 Muligheter Abdomen Fremstilling av aorta og nyrearteriene

65 Muligheter Nakke/hals T2 vektet cervical columna

66 Muligheter Rygg T1 og T2 vektet total columna

67 Muligheter Rygg Fremstilling av nerverøtter Ved hjelp av fettsuppresjon

68 Muligheter Hjerte

69 Muligheter Hjerte Dynamisk hjerteperfusjon

70 Muligheter Abdomen Ulike kontrastvektinger gjennom abdomen

71 Muligheter Abdomen Fremstilling av tykktarm og tynntarm

72 Muligheter Abdomen Avbildning av foster

73 Muligheter Ledd Kneledd med vannseleksjons Fotledd med fettsuppresjon

74 Muligheter Micro-MR Finger Øyepatologi

75 Muligheter Macro-MR Helkropps MR, T2 og T1 vektet

76 Muligheter Macro Underekstremitets angiografi

77 Slutt på intro Da begynner alvoret.