FYS-KJM Magnettomografi-del

Transkript

1 FYS-KJM 4740 MR-teori og medisinsk diagnostikk Magnettomografi-del Introduksjon Atle Bjørnerud, Rikshosptialet Basert på materiale utarbeidet av Kjell-Inge Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Mars 2006 FYS-KJM

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 Mars 2006 FYS-KJM

3 Mars 2006 FYS-KJM

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 9. Magnetic susceptibility 10. Spins in motion (flow, diffusion, angio) 11. Contrast agents in MRI 12. Advanced imaging methods perfusion, DTI, fmri Hovedkilde: Magnetic Resonance Imaging: Vlaadingerbroek og den Boer Mars 2006 FYS-KJM

5 Fremdriftsplan - forelesninger Mars: 7. Intro 14. The Bloch equation, excitation and relaxation. Image Formation 21. MR Hardware, Pulse sequences an introduction, MR signal behaviour and image contrast 28. Steady state sequences April 4. Accelerated k-space trajectories (EPI and RARE) 11. Image quality, signal, contrast and noise 18. Magnetic susceptibility 25. Spins in motion flow effects Mars 2006 FYS-KJM

6 Fremdriftsplan Mai: 2. Spins in motion angiography, diffusion 9. MR contrast agents (må muligens flyttes til uken etter pga reise) 16. Advanced imaging methods; perfusion, kinetic modelling 23. Advanced imaging methods: diffusion and DTI Juni: Mulig ekstra-forelesninger ved behov? Mars 2006 FYS-KJM

7 Fremdriftsplan MR-lab 4 MR-labber fordelt på april / mai 2 timer / lab 2 grupper HVILKEN DAG PASSER? Starter på Rikshosp. Mulig DNR på de to siste Forslag: lab-uker: lab på tirsdag (dagtid) undervisning på torsdag? Mars 2006 FYS-KJM

8 Fremdriftsplan MR-lab 4 MR-labber fordelt på april / mai Lab fordelt på TO grupper: Gruppe 1: tir Gruppe 2: tir I lab-ukene er det forelesning på TORSDAG Lab-uker: 1. Uke 14 (4.april) 2. Uke 16 (18.april) 3. Uke 17 (25.april) 4. Uke 20 (16.mai) Siste lab må muligens gå ut og erstattes med ekstra forelesning grunnet reise i uke 19 (tir 9.mai) Mars 2006 FYS-KJM

9 Teoridel: - Målsetning og motivasjon for kurset - Noen få medisinske uttrykk - MR-fysikerens oppgaver -Historikk - Hardware oversikt - MRI maskinens muligheter -Kompendium UIO 4740 Mars 2006 FYS-KJM Fys-Kjm

10 Målsetting og motivasjon Mars 2006 FYS-KJM

11 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 Mars 2006 FYS-KJM

12 Målsetting og motivasjon Mars 2006 FYS-KJM

13 Noen få medisinske uttrykk Mars 2006 FYS-KJM

14 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 Mars 2006 FYS-KJM

15 Noen få medisinske uttrykk Radiolog: Lege spesialist i røntgenfaget. Tolker bilde-materialet. Radiograf: Utfører avbildningene. 3 års fagutdanning Mars 2006 FYS-KJM

16 Noen få medisinske uttrykk Axial eller transversal Sagital Coronalt Oblique: Dreid snitt i et plan Dobbel Oblique: Dreid snitt i to plan Mars 2006 FYS-KJM

17 Noen få medisinske uttrykk Mars 2006 FYS-KJM

18 Noen få medisinske uttrykk Cervical 7 virvler Thorakal 12 virvler Lumbal 5 virvler Sacralt 5 virvler Mars 2006 FYS-KJM

19 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: 0.5 mm 5 mm Mars 2006 FYS-KJM

20 MR-fysikerens oppgaver Mars 2006 FYS-KJM

21 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

22 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

23 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

24 MR-fysikerens oppgaver Parameter-innsikt: Mars 2006 FYS-KJM

25 MR-fysikerens oppgaver Sekvens innsikt: Mars 2006 FYS-KJM

26 MR-fysikerens oppgaver Optimaliere MR-protokoller: Mars 2006 FYS-KJM

27 MR-fysikerens oppgaver Fikse / forklare artefakter: Mars 2006 FYS-KJM

28 MR-fysikerens oppgaver Analyse av geometrisk distorsjon FoV z x Mars 2006 FYS-KJM

29 MR-fysikerens oppgaver Analyse av Bo-homogenitet Mars 2006 FYS-KJM

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

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

32 MR-fysikerens oppgaver Implementere nye metoder: Mars 2006 FYS-KJM

33 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

34 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 4740 Mars 2006 FYS-KJM Fys-Kjm

35 MR-fysikerens oppgaver 3D-modellering av funksjonell og morfometriske data : Mars 2006 FYS-KJM

36 MR-fysikerens oppgaver Modellering av kontrastmiddeleffekt: C( t) t ps ( t ) = K φ C0 e dφ 0 K ps (permeabilitet) + BV C 0 e t R 1/ 2 Mars 2006 FYS-KJM

37 MR-fysikerens oppgaver Mars 2006 FYS-KJM

38 Funksjonell (dynamisk) MR-avbilding Blodvolum Perfusjon Mars 2006 FYS-KJM

39 Biopsi-planlegging Mars 2006 FYS-KJM

40 fmri Mapping av motorisk cortex Mars 2006 FYS-KJM

41 Historikk Mars 2006 FYS-KJM

42 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

43 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

44 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

45 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

46 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

47 Historikk Bruk av magnetfelt gradienten medfører at resonans frekvensen er avhengig av posisjon (x). Ved å bruke flere projeksjoner (1-D) kan et 2-D bilde genereres. Signal Mars 2006 FYS-KJM x

48 Historikk Klassifisering av bildeteknikker -Punkt måling - Linje måling - Plan måling - Volum måling Mars 2006 FYS-KJM UIO Fys-Kjm 4740

49 Historikk Plan måling Fourier imaging En multifrekvens RF-puls anvendes i kombinasjon med en gradient. RF-pulsens frekvens spekter er tilpasset resonans betingelsene skapt av gradienten. NMR signalet som blir generert inneholder det samme antall frekvenser som den opprinnelige RF-pulsen. Ved hjelp av en Fourier transformasjon kan man omgjøre frekvens til posisjon. Mars 2006 FYS-KJM UIO Fys-Kjm 4740

50 Historikk Fourier imaging Plan måling Signal f(x) Mars 2006 FYS-KJM

51 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

52 Historikk Mark 1, Aberdeen Mars 2006 FYS-KJM

53 Historikk Stavanger april 1986 Mars 2006 FYS-KJM

54 Historikk Stockholm 2004 Paul Lauterbur Sir Peter Mansfield Mars 2006 FYS-KJM

55 Antall Historikk : 1maskin/ innbyggere. Nasjonal MR utbredelse År Nasjonalt: Offentlig og privat: Primært et nevrologi og ortopeditilbud Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Mars 2006 FYS-KJM

56 Historikk/nåtid Internasjonal sammenligning Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk 2000-tall (antall innbyggere/mr-enhet): Norge Sverige Danmark Finland Tyskland Italia Spania England Frankrike Japan USA Mars 2006 FYS-KJM

57 Muligheter/kompleksitet Kontrastmuligheter CT: MR: Elektrontetthet Atomnummer 2 ulike mekanismer Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk T1 T2 Protontetthet Diffusjon Perfusjon Temperatur ph T2* Flow Elastisitet MTC Kontrastmiddel Atomnummer Molekyl Vevsundertrykking 15 ulike mekanismer Mars 2006 FYS-KJM

58 Muligheter/kompleksitet Teknisk kompleksitet (hode studium) CT: MR: 15 protokoller 12 parametervalg 322 protokoller parametervalg Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Mars 2006 FYS-KJM

59 Vurdering av medisinsk bildediagnostikk: Dr.Med J.T. Geitung +++ Konkluderende ++ Meget god + Kan brukes 0 Skal ikke brukes MR beste metode Problem MR CT Ultralyd Rtg Akutt? Hode, svulst Hode, blødning Hjerneinfarkt Blodårer, hode (angio) Blodårer, hals (angio) Hjerte (angio) Lunger? Lever Bukspyttkjertel Tarm (+) (+) (+) ++ Sentrale blodårer (angio) Perifere blodårer +++ (+) + ++ (angio) Muskler +++ (+) + 0 Skjelett, svulst Skjelett, brudd Ledd Nyrer, svulst (+) Nyrer, funksjon Urinledere Rygg, prolaps Rygg, skade Rygg, svulst +++ (+) 0 0 Kvinnelig bekken Mannlig bekken ++ (+) + 0 Mars 2006 FYS-KJM

60 Muligheter Hode (kaput) T1 vektet SE T2 vektet SE T1 vektet IR Mars 2006 FYS-KJM

61 Muligheter Hode Grå hjernesubstans Hvit hjernesubstans Mars 2006 FYS-KJM

62 Muligheter Hode -Diffusjon -Perfusjon -fmri Mars 2006 FYS-KJM

63 Muligheter Hode Fasekontrast og kontrast-forsterket angiografi Mars 2006 FYS-KJM

64 Muligheter Nakke/hals T2 vektet cervical columna Mars 2006 FYS-KJM

65 Muligheter Rygg T1 og T2 vektet total columna Mars 2006 FYS-KJM

66 Muligheter Abdomen 3D fremstilling av aorta og urinlederne Mars 2006 FYS-KJM

67 Muligheter Nakke/hals Angiofremstilling av halskar Mars 2006 FYS-KJM

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

69 Muligheter Thorax Fremstilling av blodårer i Thorax Mars 2006 FYS-KJM

70 Muligheter Hjerte Mars 2006 FYS-KJM

71 Muligheter Hjerte Dynamisk hjerteperfusjon Mars 2006 FYS-KJM

72 Muligheter Abdomen Ulike kontrastvektinger gjennom abdomen Mars 2006 FYS-KJM

73 Muligheter Abdomen Fremstilling av tykktarm og tynntarm Mars 2006 FYS-KJM

74 Muligheter Abdomen Fremstilling av aorta og nyrearteriene Mars 2006 FYS-KJM

75 Muligheter Abdomen Fremstilling av aorta og urinlederne Mars 2006 FYS-KJM

76 Muligheter Abdomen Avbildning av foster Mars 2006 FYS-KJM

77 Muligheter Ledd Kneledd med vannseleksjons Fotledd med fettsuppresjon Mars 2006 FYS-KJM

78 Muligheter Micro-MR Finger Øyepatologi Mars 2006 FYS-KJM

79 Muligheter Macro-MR Helkropps MR, T2 og T1 vektet Mars 2006 FYS-KJM

80 Muligheter Macro Underekstremitets angiografi Mars 2006 FYS-KJM

81 Slutt på intro Da begynner alvoret.

82 Mars 2006 FYS-KJM