MR fysikk for radiologer. Andreas Abildgaard Enhet for abdominalradiologi Rikshospitalet, OUS

Transkript

1 MR fysikk for radiologer Andreas Abildgaard Enhet for abdominalradiologi Rikshospitalet, OUS

2 Ikke for lite fysikk, (og ikke for mye) Hvordan får man signal fra kroppen Hvordan finner maskinen ut hvor signalet kommer fra Hvordan kan man skille forskjellige vev

3

4

5 Science News 2017;191;22

6 BROOKHAVEN NATIONAL LAB Science News 2017;191;22

7 Enkel modell-beskrivelse av MR «Populærvitenskapelige fakta» Kan knapt brukes til utledninger MEN: Nyttig og nødvendig: Sekvensvalg, sekvensoptimalisering, kontrastbruk, bildetolkning, vevsidentifikasjon, artefakthåndtering m.m. MR granskning: «multi-parametrisk»

8 MR: Hvordan får man signal ut av kroppen?

9 A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

10 A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

11 Z

12 A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016 Z

13 Z A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

14 Z X Y A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

15 protoner i en voxel Z X Y Longitudinell nettomagnetiseringen i likevektstilstanden: som om 1/ av protonene hadde sitt magnetiske moment parallelt orientert med magnetfeltet

16 RF Z X Y A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

17

18

19 Opphavsrett SIEMENS

20 MR: Hvordan får man signal? 1. Legg pasienten i sterkt magnetfelt Gir longitudinell nettomagnetisering i vevene 2. Send inn radiobølgepuls (eksitasjonspuls) som endrer retningen til nettomagnetiseringen i vevene Får en roterende, transversal magnetiseringskomponent 3. Registrer spenning/strømvariasjon i opptaks-spole Magneter i bevegelse kan indusere strøm

21

22 Hvordan finner maskinen ut hvor signalbidragene kommer fra? Eller: hvordan lages et bilde?

23 Amplitude

24 Frekvens

25 Fase NB: Syklisk

26

27

28 Fourier transformasjon Tids doméne Spatielt doméne Frekvens-doméne

29

30

31

32 A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

33 Altså Et endelig antall sinuskurver kan brukes til å spesifisere et komplekst signal. Fourier transformasjon omregner fra signal til sinuskurver eller tilbake. Sinuskurvene kan for eksempel være romlige bølger. Romlige bølger kan adderes. Romlige bølger kalles også romlige frekvenser, «spatial frequencies», «k».

34 Larmor-likningen f = g B0 Protonets presesjonsfrekvens er lineært proporsjonalt med magnetfeltstyrken Z

35 X A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

36 Y A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

37 Z A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

38 Spin warp «Warping»: bøyning eller dreining

39 Spin warp Innkodingsgradienter gir lineære styrkevariasjon i magnetfeltet. Gradientenes effekt blir summert. Gradientene påvirker protonenes presesjonsfrekvens. Vektorene som representerer voxlenes nettomagnetisering påvirkes tilsvarende. Gradientene gir derfor gradvis økende faseforskjeller mellom voxelvektorene langs gradientretningen. Gradientpåvirkningene gir sykliske fase-endringer langs de summerte gradientretningene, dette kalles «warping». For å illustrere dette behøves en «Warpinator».

40

41

42

43

44

45

46 K-space: matrise av signalverdier angitt som romlige frekvenser/bølger Figur laget av MR-fysiker Oliver Geier A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

47

48 Invers Fourier transformasjon i to retninger K-space data (frekvens-doméne) Bildedata (spatielt doméne)

49 Kraftig gradientpåvirkning: høy romlig frekvens, signalverdier perifert i k-space. Viktig for tynne linjer og skarpe kanter i bildet. Må derfor ha stor k-space matrise for å få høy geometrisk oppløsning.

50

51 Kraftig gradientpåvirkning: høy romlig frekvens, signalverdier perifert i k-space. Viktig for tynne linjer og skarpe kanter i bildet. Må derfor ha stor k-space matrise for å få høy geometrisk oppløsning. Svak gradientpåvirkning: lav romlig frekvens, signalverdier sentralt k-space. Viktig for gråtonefordeling og signalnivåer i bildet. Må derfor passe på at fylning av k-space senter matcher kontrast-effekt på angiografier og dynamiske opptak.

52

53 A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

54 To-dimensjonalt MR opptak med Spin Warp innkoding: Det brukes gradientpåvirkning i to retninger i bildeplanet for å innkode signalene slik at det kan regnes ut et bilde Innkodingsgradientene påvirker protonenes fase, via påvirkning på presesjonsfrekvens Separate signalverdier registreres etter ulike gradientpåvirkninger Hver signalverdi avspeiler størrelsen av en bestemt romlig bølgevariasjon av signalgivende protoner i vevene Signalverdiene samles i «k-space», et rutenett av signalverdier Bildet regnes ut med invers Fourier transformasjon på k-space dataene

55

56 Hvordan kan man skille forskjellige vev med MR? Bruke tid som diagnostikum Skille protoner som er i ulikt kjemisk mikromiljø

57 protoner i en voxel Z X Y Longitudinell nettomagnetiseringen i likevektstilstanden: som om 1/ av protonene hadde sitt magnetiske moment parallelt orientert med magnetfeltet

58

59 T1 og T2 relaksasjon Z Y X A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

60 Hva venter vi på? T1-relaksasjon: gjenvinning av longitudinell nettomagnetisering. Ulik i forskjellige vev. Kompleks. T2-relaksasjon: tap av transversal komponent av nettomagnetisering. Ulik i forskjellige vev. De-fasering. «T1-vekting»: sekvens hvor gråtonene i bildene avspeiler T1-tidene i vevene. Kort T1-tid: Mest signal. Lyst. «T2-vekting»: sekvens hvor gråtonene i bildene avspeiler T2-tidene i vevene. Lang T2-tid: Mest signal. Lyst.

61 Z Y X A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

62 De vanligste ventetidene Repetisjonstid Varighet av syklus i sekvens, tid mellom RFeksitasjoner (Eksitasjon, posisjonsinnkoding, signalregistrering)

63 De vanligste ventetidene Repetisjonstid Varighet av syklus i sekvens, tid mellom RFeksitasjoner Ekkotid Tid fra etablering av transversal nettomagnetisering til registrering av signalverdier (ekko)

64 Sammenheng mellom relaksasjoner og ventetider «T2-vekting»: lang ekkotid

65 T1-vekting M Z 0 Longitudinell nettomagnetisering Mz 0 Tid A. Abildgaard: MR for radiografer og radiologer. Universitetsforlaget 2016

66

67 Sammenheng mellom relaksasjoner og ventetider «T2-vekting»: lang ekkotid «T1-vekting»: repetisjonstid så kort at T1- relaksasjoner fortsatt pågår (og kort ekkotid for å unngå T2-påvirkning)

68 Hydrogenprotoner i ulikt kjemisk mikromiljø Protoner i vannmolekyler Vannmolekylenes termiske bevegelser (diffusjon) Protoner i fettmolekyler Protoner i ujevnt magnetfelt Protoner i bevegelse Protoner som påvirkes av kontrastmidler

69 Takk for oppmerksomheten!

70 k k 2 6,28 λ = bølgelengde. Agulært bølgenummer k = Romlig bølgefrekvens = «Spatial frequency» k-space: en tallmatrise som spesifiserer ulike romlige bølger. I MR brukes k-space til å spesifisere romlige bølgemønstre av signalvariasjon i vevet som avbildes.

71 MR for radiografer og radiologer. A Abildgaard, Universitetsforlaget 2016

72 To dimensjonalt gradient-ekko MR-opptak Tid RF - eksitasjonspuls Snittseleksjonsgradient GS gradient slice Faseinnkodingsgradient GP gradient phase Frekvensinnkodingsgradient GF gradient frequency Ekkotid Signalregistrering MR for radiografer og radiologer. A Abildgaard, Universitetsforlaget 2016

73 Lineær k-space fylning Tid RF - eksitasjonspuls Snittseleksjonsgradient GS gradient slice Faseinnkodingsgradient GP gradient phase Frekvensinnkodingsgradient GF gradient frequency Signalregistrering Ekkotid Fasegradientpåvirkning Frekvensgradientpåvirkning Frekvensgradientpåvirkning og signalregistrering k Y k Y k Y k X k X k X MR for radiografer og radiologer. A Abildgaard, Universitetsforlaget 2016

74 Nyttig å vite om hydrogenprotoner og deres spinn-orientering i magnetfeltet Likevektstilstanden i magnetfeltet: longitudinell nettomagnetisering RF-eksitasjon av denne: transversal komponent av nettomagnetiseringen Kan modelleres som en asymmetrisk fordeling av protonenes presesjonsfaser, («koherens», «i fase») Asymmetrien vil gradvis utjevnes (de-fasering) De-fasering som skyldes statiske magnetfeltforskjeller kan snus med en RF-refokuseringspuls Hydrogenprotoner i ulike molekyler opplever lokalt ulik magnetfeltstyrke, vi kan ha separat koherens for disse populasjonene Magnetfeltsgradienter gir presensjonsfrekvens-forskjeller og derved faseforskjeller Proton-forflytning langs gradienter gir fase-ulikheter

75 Likevektstilstanden i magnetfeltet: longitudinell nettomagnetisering T1-relaksasjon RF-eksitasjon av denne: transversal komponent av nettomagnetiseringen Eksitasjon Kan modelleres som en asymmetrisk fordeling av protonenes presesjonsfaser, («koherens», «i fase») Signal Asymmetrien vil gradvis utjevnes (de-fasering) T2-, T2*-relaksasjon De-fasering som skyldes statiske magnetfeltforskjeller kan snus med en RF-refokuseringspuls Spinn-ekko Hydrogenprotoner i ulike molekyler opplever lokalt ulik magnetfeltstyrke, vi kan ha separat koherens for disse populasjonene Dixon mm, Spektroskopi Magnetfeltsgradienter gir presensjonsfrekvens-forskjeller og derved faseforskjeller Snittseleksjon, frekvensinnkoding, faseinnkoding, Susceptibilitet, Perfusjon mm Proton-forflytning langs gradienter gir fase-ulikheter Diffusjon, Fase-kontrast angiografi mm