Oppspinn og kvantesprang

Transkript

1 Oppspinn og kvantesprang En introduksjon til MR-fysikk Atle Bjørnerud, Dr. Philos Avd for Medisinsk Fysikk Rikshospitalet Fysisk Inst. UiO

2 Dette har jeg har tenkt å snakke om: Introduksjon De grunnleggende prinsipper Relaksasjon og kontrast Pulssekvenser Litt mer om pulssekvenser En kort tur i k-space (hvis vi får tid)

3 Hva er MRI? (på to minutter)????

4 Vi trenger et objekt med vann/fett (pasient) et KRAFTIG magnetfelt (>0.1 Tesla)

5 og radiobølger

6 ..en del datakraft, elektronikk, kvantefysikk og matematikk

7 .. og VOILÀ vi har et MR-bilde!

8 En moderne MR

9 MR i dag Høy kontrast-oppløsning

10 Vaskulær framstilling (MR Angiografi)

11 Dynamisk MR

12 Diffusjons-tensor avbilding

13 Funksjonell MRI (fmri)

14 Kort 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 (Lauterburg) 1975: Fourier Imaging (Ernst) 1980: MRI første kommersielle MR-scannere 1990: Kontrastforsterket MR Angio (Prince) 1990: BOLD-prinsipp fmri (Ogawa) 1991: Nobelspris - Ernsts 2003: Nobelspris - Lauterburg & Masfield

15 De Grunnleggende Prinsipper????

16 Hvor kommer MR-signalet fra? bildevoxel

17 Hvor kommer MR-signalet fra? bildevoxel celler

18 Hvor kommer MR-signalet fra? celler Vann

19 Hvor kommer MR-signalet fra? Vann H 2 O molekyl

20 Hvor kommer MR-signalet fra? H 2 O molekyl Proton ( 1 H) =hydrogen-atom

21 Hvor kommer MR-signalet fra? Protoner (og flere andre atomkjerner) har magnetiske egenskaper kalt spinn. Et kjerne-spinn kan sees på som et lite magnet-felt: ofte kalt et magnetisk moment Dette magnet-feltet gir opphav til NMRsignalet. Ikke alle nuklider (atomkjerner) har spinnegenskaper Nuklider uten spinn gir intet NMR signal

22 Noen nuklider med nettospinn Nuklide Uparede protoner Uparede neutroner Nettospinn γ (MHz/T) 1 H 1 0 1/ H P 0 1 1/ Na 2 1 3/ N C 0 1 1/ F 0 1 1/

23 Hydrogen er den ideelle NMR-kjernen! Fordi kroppen består av ca. 70% vann 1H har en naturlig forekomst (natural abundance) på >99.9% Grunnstoff Hydrogen Symbol Naturlig forekomst 1 H H Karbon 13 C 1.11 Nitrogen 14 N N 0.37 Natrium 23 Na 100 Fosfor 31 P 100 Kalium 39 K 93.1 Kalsium 43 Ca 0.145

24 Magnetisk moment er en vektor (retning + størrelse) N Magnetisk moment N S + S Proton

25 Protoner i et magnetfelt (B 0 ) vil stille seg enten parallelt eller anti-parallelt med B 0 N m s =+1/2 ( spinn opp ) B 0 m s =-1/2 ( spinn ned ) S

26 Vi ser på den makroskopiske nettoeffekten av VELDIG mange protoner B 0 M 0 Summen av mange protoner = nettomoment (M 0) 1 mm 3 vann spinn!

27 Magnetisk nettomoment, M 0 B 0 M 0 Det målbare NMRsignalet skalerer med M o : ønsker størst mulig M 0!

28 Nettomagnetisering, M 0 n - Energi M 0 =µ(n + -n - ) n + Magnetfeltstyrke, B 0 (Tesla) M 0 B 0 : høyere felt = mer signal!

29 MR - sensitivitet For å få et NMR-signal må vi ha N + >N - Desto større forskjell N + -N - : desto sterkere NMR signal Ved kliniske felt-styrker (ca. 1 Tesla) er N + /N - ca : !! D.v.s. Bare ca. ett ut av en million protoner bidrar til NMR-signalet! MRI er derfor ingen særlig sensitiv metode (sammenliknet med for eksempel PET og SPECT

30 MRI er måling av vevsmagnetisering, M hvordan måler vi M? hvilken egenskaper ved M måler vi? hva bestemmer kontrasten i MRbildet?

31 hvordan måler vi M? B 0 M 0 presesserer (roterer) med Larmor-frekvensen: f = γb 0 γ =gyromagnetisk ratio M 0 For 1 H γ = MHz/T

32 hvordan måler vi M? Fra elekotrmagnetismen: B 0 indusert strøm dm/dt men M <<<< B 0 M 0 Vi trenger derfor å vippe M vekk fra B 0 retningen!

33 M 0 spole oscilloskop hvordan måler vi M? B 0

34 hvordan måler vi M? B 0 Vippe M 0 vekk fra B 0 retningen... NMR-signal (Free Induction Decay, FID) M 0 spole oscilloskop

35 Koordinatsystem B 0 Z Mz Y Mx X

36 Hvordan vipper vi M 0 vekk fra B 0? Ved å tilføre energi i form av radiofrekvens (RF) -bølger Radiobølgene må ha samme frekvens som protonenes presesjonsfrekvens (Larmorfrekvensen) Radiobølgene fører til at forholdet mellom mellom n + og n - proton-populasjoner endrer seg Makroskopisk effekt er at M vippes vekk fra B 0 -retningen

37 Introduserer nytt magnetfelt; B 1 som står vinkelrett på B 0 B 0 MR-spoler brukes både for å registrere NMR-signal OG for å generere B 1 B 1

38 MR-spoler (coiler)

39 Eksitasjons-puls og resonsans-frekvens Energi E For at et proton skal eksiteres må det tilføres energi nøyaktig tilsvarende E Dette tilsvarer en frekvens: f= γb 0 E=hγB B 0 (Tesla) γ=larmor frekvens eller resonans-frekvens For hydrogen (1H): γ= MHz / T. h=konstant (Planck s)

40 B 0 M Vinkel mellom B 0 og M etter RF-eksitasjon kalles flip-vinkel

41 Det elektromagnetiske spektrum MR Frekvens (Hz) Radio Frequency Micro wave Infrared Visible Ultraviolet X-rays Gamma rays Bølgelengde (cm)

42 Vevets magnetisering i et magnetfelt M 0 B 0

43 Vevets magnetisering i et magnetfelt M tippes vinkelrett på B 0 kan nå registreres med RF-spole Mxy RF-puls

44 Hva har vi (forhåpentligvis) lært til nå... For å generere et NMR-signal må følgende være oppfylt: Et objekt med vann (for eksempel et menneske) Et kraftig magnetfelt (0.1 7 Tesla) Generering av RF-pulser med riktig frekvens i forhold til magnet-feltet (f=γb) En spole som kan registrere signalet generert av vevsmagnetiseringen, M (FID signalet)

45 Romlig bestemmelse av MRsignalet????

46 For å komme videre trenger vi... romlig informasjon om hvor i kroppen et gitt NMR signal kommer fra!???

47 Bruke gradienter for å endre Larmorfrekvens som funksjon av posisjon f = γ B Gradient f+ + f+ B-- B- B 0 B+ B++ f 0 f - f - -

48 Fritt valg av snitt-posisjon Gradient Gradient

49 Fourier Transformasjon (FT) Konverterer tids-informasjon til frekvens informasjon Amplitude Time Fourier Transform Amplitude FT of a sine wave Frequency Time Fourier Transform FT of MR signal from a single proton Frequency Time Fourier Transform Frequency FT of MR signal from two protons with different precession frequencies

50 Frekvens-koding f 0 A

51 Frekvens-koding f 0 - f f 0 f 0 + f A f - f 0 f + f

52 Frekvens-selektiv RF-puls Bare protoner med Larmorfrekvens f2 eksiteres f3 f2 f1 RF-puls Fourier Transform Frekvens RF-puls inneholder kun frekvensene f2

53 Frekvens- og fasekoding Frekvenskoding Hver voxel (volumelement) har unik kombinasjon av frekvens og fase f- f0 f+ Fasekoding P+ P0 f1 p1 f2 p2 MR-signal p3 f3 MR signal inneholder frekvens- og faseinformasjon fra alle voxler

54 Fasekoding Fase-kodings gradient P0 P1 P2... FID 1 FID 2 For å rekonstruere hver voxel i bildet må MReksitasjonen gjentas N ganger med forskjellig fasekodings-gradient. FID 3 Matrisestørrelse: N*M... FID N Tids-intervallet mellom hver MR-eksitasjon kalles repitisjons-tiden TR.

55 Spatsiell koding og kontrast i MR-bildet Fasekoding Frekvens-koding X f2,p2 Kontrasten bestemmes (bl.a) av forskjellen i signalamplitude i hver voxel er avhengig av proton-tetthet og relaksasjons-egenskapene i vevet. Y Spatsell koding vha frekvens- og faseinformasjon i hver voxel f1,p1 RF-signalet er summen av bidraget fra alle voxler

56 Multiple MR signaler må dannes for å rekonstruere et MR-bilde TR eksitasjon # 1 Fasekoding #1 eksitasjon # 2 eksitasjon # 3... ekitasjon # N Fasekoding #2 Fasekoding #3 Fasekoding #N MR signal #1 MR signal #2 MR signal #3... MR signal #N Total opptakstid = N*TR

57 Relaksasjon og kontrast...????

58 Proton-relaksasjon forårsaket av to prosesser: T 1 (longitudinal, spinn-gitter) relaksasjon T 2 (transversal, spinn-spinn) relaksasjon Relaksasjon forårsakes av molekulære interaksjoner T1-relaksasjon påvirker Z-komponenten av M T2-relaskasjon påvirker XY-kompontenten av M

59 Relaksasjon Relaksasjons-prosesser forårsaker raskt tap av MR-signal Signal Free Induction Decay (FID) Tid

60 T1- og T2-relaksasjon Z Mz Y 90 o RF puls Mxy X Longitudinal (T1) Relaksasjon Transversal (T2) Mz Signal (Mxy) CSF T2-kontrast T1-kontrast Tid hjerne fett Tid

61 T1-relakasjon; gjennvinning av Mz-magnetisering Mz Z Gjennvinning av Mz T1 er alltid lengre enn T2! Mo Mxy 0.63*Mo Y Bortfall av M xy X

62 T1-relakasjon; gjenvinning av Mz-magnetisering Mz-magnetisering: Mz=Mo(1-exp(-t/T1) ; t=t1; M z =M 0 (1-0.37)=0.63M 0 Mz Mo Likevekt 0.63*Mo T1 Mz=0 rett etter en 90 RF puls Tid

63 T2-relakasjon; tap av fase-sammenfall Mxy Mxy0 Mxy magnetisering; Mxy=exp(-t/T2) Mxy t=0 (rett etter 90-graders puls) Tid

64 T2 relaksasjon T2 relaksasjons-tid; ved t=t2; M xy =0.37M xy0 NB: denne sliden var feil i kompendiet! M xy0 M xy =M xy0 exp(-t/t2) 37% M xy t=t2; Mxy=0.37Mxy0 T2 Tid etter RF puls ->

65 T1 vs T2 vektede bilder T1 vektet T2 vektet

66 Susceptibilitet og T2* Til nå: molekulære relakasjonseffekter; T1 og T2 (spinninteraksjon) En tredje relaksasjons-parameter: T2* avhenger av variasjoner i magnetfeltet over større distanser: susceptibilitets-effekter

67 T 2* Relaksasjon T2 relaksasjon + statiske feltinhomogeniteter (δb) T2* < T2 1/T 2 *=1/T 2 + γδb M xy T 2 kurve T 2 * Tid etter RF puls ->

68 Kontrast-parametre i MR Vevs-parametre N(H) T1 T2 T2* FLow / perfusjon Diffusjon

69 Konstrasparametre (II) Sekvensparametre TR, TE, TI, flipvinkel,... Sekvenstype SE, FSE, GRE, EPI,... Konstrastmidler

70 Pulssekvenser...????

71 MR Puls-sekvenser En serie med eksitasjons-pulser og signalavlesninger som resulterer i et komplett MR-bilde (eller bilder) En puls-sekvens er vektet mot en gitt rellaksasjons-parameter: T1, T2, T2* (og protontetthet) To hovedgrupper med sekvenser: Spinn Ekko, Gradient Ekko Mange variasjoner innen hver hovedgruppe

72 Spinn Ekko sekvensen Bruk av RF-refokuseringspulser Minimerer statiske defaseringseffekter (T2*) God T1, T2 og protonvekting Godt signal-støyforhold Lang opptakstid Dårlig romlig oppløsning (2D opptak)

73 Spinn Ekko (SE) Pulssekvens o o TR = Repitisjonstid TE = Ekkotid 90 o TE Spinn Ekko TR Spinn Ekko Signal 90 o puls Refasering Defasering 180 o puls

74 Spinn Ekko prinsippet

75 T2 kontrast i Spinn Ekko sekvensen 180 o 90 o Spinn ekko CSF Hjernevev 90 o T2* T2 T2 konstrast TE TR

76 T1 -kontrast avhenger av forskjeller i magnetiseringsgjennvinning i TR -intervallet T1- kontrast TR

77 T1-vektet kontrast Vevs-signal Hvit substans Grå substans T1 kontrast T1-gjennvinning CSF TR (ms) 400 A. Bjørnerud, 2200 Fys. Inst. UiO

78 Kontrast i lang TR SE sekvens Vevssignal Første ekko Protonvektet Andre ekko T2 vektet T2 relaksasjon CSF Grå substans Imaging & Technology Planning Hvit substans A. Bjørnerud, TE Fys. (ms) Inst. UiO

79 Kontrast i SE sekvenser TE (ms) 150 Dårlig (T1+T2) T2-vektet 40 T1-vektet Proton vektet (+T1-v) TR (ms)

80 SE TR/TE= 450/14 ms, 1 Nex, 256x192 matrix TR/TE = 5500/105 ms, 2 Nex, 512x256 matrix

81 Kort TR/TE Lang TR/ kort TE Lang TR/ langte T1-vektet proton -vektet T2-vektet

82 SE sekvensen 90 o 180 o SE #1 90 o 180 o SE #2 #1 Fasekoding #1 Fasekoding #2 TR # 2... *N Total opptakstid = N*TR

83 SE sekvensen effektiv bruk av TRintervallet 90 o 180 o SE #1 #1 TR døtid 90 o 180 o Fasekoding #1 Fasekoding #2 # 2

84 Opptak av multiple snitt TR slice #1 slice #2 slice #3 slice #4 slice #1 Multi-slice imaging

85 Multiple fasekodinger pr TR-intervall Fast (Turbo) Spinn Ekko (FSE) Fasekoding #1 Fasekoding #2 Fasekoding #3 Fasekoding #4 TR

86 FSE sekvens Multiple spinn-ekkoer i hvert TR intervall hvert ekko er individuelt fase-kodet effektiv TE er bestemt av ekkoet som dannes uten fasegradient sentrale begreper: echo spacing : tiden mellom hvert fasekodet ekko i et TR-intervall effektive TE : tiden fra 90 o puls til ekkoet med fasekodings-gradient satt til null echo train length : antall ekkoer i hvert TR-intervall (typisk mellom 4 og 128)

87 FSE sekvens I forhold til vanlig SE: scan-tid redusert med en faktor gitt av echo train length (ETL) ETL=4 -> scan-tid redusert med faktor 4 ETL=16 -> 16 FSE kan også brukes til å generere T1-v og N(H) vektede bilder, men her er gevinsten mindre enn for T2-v bilder

88 FSE sekvens TR/TE eff =2200ms/22ms, NSA=2 TR/TE eff =2200ms/80ms, NSA=2

89 Gradient Ekko sekvensen Ingen RF-refokuseringspulser (ingen SE) Lager gradient ekko fra FID-signalet Reduksjon i TR-tid Bruk av lavere flip-vinkler Redusert opptakstid Følsom for T2* effekter God T1 kontrast, dårlig T2 (T2*) kontrast God romlig oppløsning (3D opptak)

90 Gradient ekko α.-puls RF G frekv M xy T2* kurve GE

91 SE vs GRE TR/TE/ST :516ms/12ms/3mm 20 snitt (2D) TR/TE/flip/ST :20ms/1.8ms/30 o /1.3 mm 128 snitt (3D)

92 SE vs GRE

93 Gradient Ekko sekvensen artefakter Susceptibibilitets-artefakter TE avhengige fase-effekter

94 Susceptibilitets-effekter i GRE sekvenser SE, TE=15 ms GRE, TE=1.8 ms GRE, TE=15 ms

95 Ultra-raske opptak: Ekkoplanar (EPI) sekvens

96 in-phase / out-of-phase effekter i GRE sekvenser ved 1.5 T: TE = 2,3 + (n*4,6) ms TE = n*4,6 ms voxel SI fett vann ute av fase vann og fettholding voxel i fase

97 In- og out-of-phase Ute av fase I fase TE = 2,4 ms TE = 4,8 ms

98 Litt mer om pulssekvenser...????

99 Til nå: SE /GRE TR/TE RF-eksitasjonspuls: flip-vinkel: flip=90 o (SE) flip <90 o (GRE) Videre: Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser Raske sekvenser Øke bilde-kontrasten i raske sekvenser

100 Hvorfor redusere flip-vinkel i GRE sekvenser Dersom man ønsker TR << T1 er det ikke lenger en fordel å ha høy flipvinkel (f.v.): lavere f.v. reduserer minimum TR lavere f.v. kan øke likevektsmagnetiseringen = høyere SNR bildekontrast kan justeres ved riktig valg av TR / f.v

101 TR << T1 og α = 90 o B 0 M z α = 90 o M xy

102 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α = 90 o M xy

103 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α = 90 o M xy

104 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α = 90 o M xy

105 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α = 90 o M xy

106 TR << T1 og α < 90 o B 0 M z α < 90 o M xy

107 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α < 90 o M xy

108 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α < 90 o M xy

109 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α < 90 o M xy

110 Valg av flip vinkel i GRE sekvenser B 0 M z α < 90 o M xy

111 Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser M xy M 0 α = 90 o # RF pulser M eq TR

112 Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser M xy M 0 α < 90 o # RF pulser M eq TR

113 Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser M xy M 0 α << 90 o # RF pulser M eq TR

114 Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser Kort TR / høy flip-vinkel: T1-v Lang TR/lav flip-vinkel: T2*-v Hva som er kort TR avhenger av vevets T1-relaksasjons-tid: TR/T1<< 1 -> T1-v TR/T1 ~ 1 -> T2*-v

115 Optimalisering av f.v. i GRE sekvenser Rel SI TR=50ms ernst vinkel T1=100ms T1=300ms T1=900ms flip

116 T1-GRE TR=20 ms TR=100 ms Flip=30 Flip=60 Flip=90

117 Bruk av pre-pulser (magnetization preparation) Når sekvensene blir veldig raske, forsvinner ofte kontrasten p.g.a. kort TR/lav f.v. T1 /T2 kontrast kan re-introduseres ved bruk av pre-pulser : Magnetiseringen (nettomomentet) forberedes før selve MR-opptaket

118 Bruk av pre-pulser (magnetization preparation) T1=200ms T1=500ms T1=900ms 180 O prep.puls (inversjonspuls) Opptaks-vindu (f.eks GRE, FSE sekvens) Inversjons-tid (TI)

119 Bruk av pre-pulser (magnetization preparation) IR-FSE MPRAGE

120 Attenuering av vev med lang T1 (CSF) T1=500ms T1=900ms T1=3000ms 180 O prep.puls (inversjonspuls) Inversjons-tid (TI)

121 Fluid Attenuated Inversion Recovery FSE FLAIR TR/TE: 3000 ms / 90 ms TR/TE/TI: 9000 ms / 110 ms / 2500 ms

122 Effekt av multiple α-pulser når TR << T2 α α α α FID=fid + RF-ekko fid RF-ekko TR

123 Effekt av multiple α-pulser når TR << T2 α FID GRE av FID ( steady-state GRE fid GRE av fid ( spoiled eller T1-GRE) TE

124 TR << T2 α α GRE av RF-ekko (T2-GRE eller PSIF) RF-ekko

125 TR=20 ms / flip 30 T1-GRE (spoiled GRE) FID-GRE (FISP) T2-GRE (PSIF)

126 En tur i k-space...????

127 K-space konseptet K-space er en fremstilling av digitaliserte ekkoene. Signalintensiteten i signalet fremstilles med en gråtone. gråskala-fremstilling fasekoding... ekko 3 ekko 2 ekko frekvenskoding

128 K-space og bildeinformasjon detalj detalj kontrast detalj detalj

129 K-space og bildeinformasjon FFT FFT lavpass filter

130 K-space og bildeinformasjon FFT FFT høypass filter

131 K-space og symmetri k-space er symetrisk trenger kun data fra litt over halve k-space påvirker signal-støy

132 K-space og symmetri fase -> Redusere antall fasekodinger: half-scan half-fourier Redusert opptakstid Redusert SNR frekvens ->

133 K-space og symmetri fase -> Måle bare siste del av ekko: partial/fractional echo Kortere ekkotid Redusert SNR frekvens ->

134 Hva fikk vi ikke tid til? Sekvens-optimalisering Artefakter FLOW Mikroskopisk (diffusjon) MRA: PCA, TOF, kontrastforsterket MRA MR-kontrastmidler Og mye, mye mer

135 Videre lesing Fokus på MRI og bruk av kontrastmidler GE-Amersham (2001)