Nice MRI website with webbased simulation tools:

Transkript

1 FYS-KJM 4740 MR-teori og medisinsk diagnostikk Magnettomografi-del Introduksjon Atle Bjørnerud, Rikshosptialet Litteratur og undervisningsmateriale: Kompendium: The Physics of Magnetic Resonance Imaging Basert på tekstbok: Magnetic Resonance Imaging Marinus T. Vlaadingerbroek Jacques A. den Boer Kap Lab-øvelser - MR-simulatorprogram - Kollokvieoppgaver FYS-KJM FYS-KJM MR-kompendium Lastes ned fra semesterside 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 FYS-KJM MRILab: MR simulation tool Nice MRI website with webbased simulation tools: FYS-KJM FYS-KJM

2 Teoridel: - Målsetning og motivasjon for kurset - Noen få medisinske uttrykk Hardware oversikt - MRI maskinens muligheter - Kompendium Målsetting og motivasjon Basert på materiale utarbeidet av Kjell-Inge Gjesdal, PhD, Sunnmøre MR-klinikk FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Målsetting og motivasjon - Skape interesse for både hovedfags studier og doktorgrads studier innen MRI - Legge grunnlag for flere MR fysikere på norske sykehus - Legge grunnlaget for rekruttering til industri - Legge grunnlaget for rekruttering til forskningsinstitusjoner - Tilby kurs for profesjonelle helsearbeidere Noen få medisinske uttrykk FYS-KJM Mars 2006 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 Neuro MRI Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM

3 Cardiac MRI Thorasic MRI Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Orthopedic MRI MR mammopgrahy Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Noen få medisinske uttrykk Radiolog: Legespesialist i røntgenfaget. Tolker bilde-materialet. Radiograf: Utfører avbildningene. 3 års fagutdanning Prostate MRI Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM

4 Noen få medisinske uttrykk Noen få medisinske uttrykk Axial eller transversal Sagital Coronalt Oblique: Dreid snitt i et plan Dobbel Oblique: Dreid snitt i to plan axialt coronalt sagittalt Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Noen få medisinske uttrykk Noen få MR- uttrykk dy dx Cervical 7 virvler Snitt-tykkelse Thorakal 12 virvler Field-of-view (FoV) N x pixler Pixel (picture elemenet) Voxel (volume element) Lumbal 5 virvler Romlig oppløsning (mm): dx= FoV x /N x dy= FoV x /N x Mars 2006 FYS-KJM Sacralt 5 virvler Mars 2006 Typisk MR-oppløsning: FYS-KJM mm 5 mm 22 Mars 2006 FYS-KJM : 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

5 Raymond Damadian Tumor deteksjon ved hjelp av NMR 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 Raymond Damadian Damadian bygger på midten av 70-tallet den første helkropps skanner og tar i 1977 det første MRI bildet av menneske kroppen. Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Paul Lauterbur Zeugmatografi 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. Zeugmatografi Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance. Første MRI bilde Paul Lauterbur Nature 242:190, 1973 Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM

6 Fourier imaging Planmåling 70-tallet brukes til å utvikle stadig mer effektive datainnsamlings og rekonstruksjons metoder Signal f(x) Mars 2006 FYS-KJM 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 Mark 1, Aberdeen Mars 2006 FYS-KJM Stavanger april 1986 Mars 2006 FYS-KJM Antall Stockholm 2004 Nasjonal MR utbredelse 2005: 1maskin/ innbyggere. 2004: 104 scannere 2017: >130 Paul Lauterbur Sir Peter Mansfield Mars 2006 FYS-KJM År Nasjonalt: Offentlig og privat: Primært et nevrologi og ortopeditilbud Mars 2006 FYS-KJM

7 Dagens MR Mars 2006 FYS-KJM FYS-KJM MR systemdesign Digital waveform memory amplitude modulation Freq. ref. Freq. synthesizer ω 0 ω 0 Gate Phase shifters 0 O 90 O Low-pass filter ω+/- ω 0 A ω Mixer B ω- ω 0 Mixer NMR-signal A B ADC power-amp To transmit coil Magnet pre-amp receiver sample and RF-coils RF-shield (Faraday cage) MR-fysikerens oppgaver A B Quadrature detector Signal processing FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM 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 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 Mars 2006 FYS-KJM

8 Innkjøp: Parameter-innsikt: 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 Mars 2006 FYS-KJM Sekvens/protokoll innsikt: Bloch likninger Sekvens innsikt: dm x dt = g (M B) x - M x T 2 dm y dt dm z dt = g (M B) y - M y T 2 = g (M B) z + M 0 - M z T 1 Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Optimaliere MR-protokoller: Fikse / forklare artefakter: Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM

9 Analyse av geometrisk distorsjon Analyse av Bo-homogenitet FoV z x x B / G x Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Hvordan måle T2* i hjernen? Multi-ekko opptak Eksponensiell kurvetilpasning: S=S o exp(-te/t2*) 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 * SI TE Optimal TE avhenger av R2* i baseline : Feltstyrke Shim-kvalitet Lokal variasjon i TE opt TE 20 ms TE 200 ms Optimal TE (ms) Optimal TE > < Basert på normaliserte T2* kart (n=6) 9

10 Sikkerhet: Sikkerhet: Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Implementere nye metoder: 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 Mars 2006 FYS-KJM 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 Mars 2006 UIO FYS-KJM Fys-Kjm 4740 /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

11 /kompleksitet Teknisk kompleksitet (hode studium) Hode (kaput) CT: 15 protokoller 12 parametervalg MR: 322 protokoller parametervalg T1 vektet SE T2 vektet SE T1 vektet IR Kilde: KI Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikk Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Structural (3D) MRI Hode Grå hjernesubstans Hvit hjernesubstans Mars 2006 FYS-KJM IR-TSE, TE/TR/TI 10/4000/550, 3mm AQT 5:20 min, matrix 364 x 512 *Henri M. Duvernoy. The human. Springer 1998 Voxel based morphometry Dynamic MRI tynnere tykkere Data Courtesy of Gina Kuperberg, MGH 11

12 Diffusion Tensor Imaging Modellering av kontrastmiddeleffekt: K ps (permeabilitet) t ps ( t ) t R1/ 2 C( t) K C0 e d BV C0 e 0 Mars 2006 FYS-KJM Funksjonell (dynamisk) MR-avbilding Blodvolum Perfusjon Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Biopsi-planlegging fmri Mapping av motorisk cortex Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM

13 Hode Thorax Fasekontrast og kontrast-forsterket angiografi Mars 2006 FYS-KJM Fremstilling av blodårer i Thorax Mars 2006 FYS-KJM Abdomen Nakke/hals T2 vektet cervical columna Fremstilling av aorta og nyrearteriene Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Rygg Rygg T1 og T2 vektet total columna Mars 2006 FYS-KJM Fremstilling av nerverøtter Ved hjelp av fettsuppresjon Mars 2006 FYS-KJM

14 Hjerte Abdomen Mars 2006 FYS-KJM Ulike kontrastvektinger gjennom abdomen Mars 2006 FYS-KJM Abdomen Abdomen Fremstilling av tykktarm og tynntarm Mars 2006 FYS-KJM Avbildning av foster Mars 2006 FYS-KJM Ledd Micro-MR Kneledd med vannseleksjons Fotledd med fettsuppresjon Finger Øyepatologi Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM

15 Macro-MR Macro Helkropps MR, T2 og T1 vektet Underekstremitets angiografi Mars 2006 FYS-KJM Mars 2006 FYS-KJM Whole body diffusion MRI Slutt på intro FYS-KJM