En introduksjon til MR-fysikk Nobelspris - Lauterburg & Masfield A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiO De...

A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiO

Oppspinn og kvantesprangEn introduksjon til MR-fysikk

Atle Bjørnerud, Dr. PhilosAvd for Medisinsk Fysikk

RikshospitaletFysisk Inst. UiO


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)


Hva er MRI ?(på to minutter)

????


• et objekt med vann/fett (pasient)• et KRAFTIG magnetfelt (>0.1 Tesla)

Vi trenger …


og radiobølger …


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


.. og VOILÀ vi har et MR-bilde!


En moderne MR


Høy kontrast-oppløsning

MR i dag


Vaskulær framstilling (MR Angiografi)


Dynamisk MR


Diffusjons-tensor avbilding


Funksjonell MRI (fMRI)


Kort Historikk

1946: NMR-fenomenet beskrevet av Bloch & Purcell1952: Nobelspris – Bloch & Purcell1950-70: NMR (spektroskopi) utviklet som analytisk verktøy1972: Computertomografi (CT)1973: Første forsøk på bildedannende MR (Lauterburg)1975: Fourier Imaging (Ernst)1980: MRI første kommersielle MR-scannere1990: Kontrastforsterket MR Angio (Prince)1990: BOLD-prinsipp – fMRI (Ogawa)1991: Nobelspris - Ernsts2003: Nobelspris - Lauterburg & Masfield


De Grunnleggende Prinsipper

????


Hvor kommer MR-signalet fra?

bildevoxel


Hvor kommer MR-signaletfra?

bildevoxel celler


cellerVann


A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiOVann H2O molekyl



Proton (1H)=hydrogen-atom

H2O molekyl




• 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 NMR-signalet.

• Ikke alle nuklider (atomkjerner) har spinn-egenskaper

• Nuklider uten spinn gir intet NMR signal


Nuklide Uparede protoner Uparede neutroner Nettospinn γ (MHz/T)1H 1 0 1/2 42.582H 1 1 1 6.5431P 0 1 1/2 17.2523Na 2 1 3/2 11.2714N 1 1 1 3.0813C 0 1 1/2 10.7119F 0 1 1/2 40.08

Noen nuklider med nettospinn


Hydrogen er den ideelle NMR-kjernen!

• Fordi kroppen består av ca. 70% vann

• 1H har en naturlig forekomst (naturalabundance) på >99.9%

Grunnstoff Symbol Naturligforekomst

Hydrogen1H 99.9852H 0.015

Karbon 13C 1.11

Nitrogen14N 99.6315N 0.37

Natrium 23Na 100

Fosfor 31P 100

Kalium 39K 93.1

Kalsium 43Ca 0.145


N

S

S

NMagnetiskmoment

+

Proton

Magnetisk moment er en vektor(retning + størrelse)


N

S

B0

Protoner i et magnetfelt (B0) vil stille seg enten parallelt eller anti-parallelt med B0

ms=-1/2 (’spinn ned’)

ms=+1/2 (’spinn opp’)


B0

Vi ser på den makroskopiske netto-effekten av VELDIG mange protoner

1 mm3 vann ≈ 1019 spinn!

M0

Summen av mange protoner = nettomoment (M0)


B0

Magnetisk nettomoment, M0

M0Det målbare NMR-signalet skalerer med Mo: ønsker størst mulig M0!


Ener

giNettomagnetisering, M0

M0 ∞B0: høyere felt = mer signal!

M0= µ(n+-n-)

Magnetfeltstyrke, B0 (Tesla)

n-

n+


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 1000001:1000000 !!

• 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


MRI er måling av vevsmagnetisering, M

• hvordan måler vi M?• hvilken egenskaper ved M måler vi?• hva bestemmer kontrasten i MR-

bildet?


hvordan måler vi M?

B0

M0

M0 presesserer (roterer) med Larmor-frekvensen:

f = γB0

γ =gyromagnetisk ratio

For 1Hγ = 42.58 MHz/T



B0

M0

Fra elekotrmagnetismen:

indusert strøm ∞ dM/dt

men M <<<< B0

Vi trenger derfor å vippe M vekk fra B0 retningen!



B0

M0

spole oscilloskop



B0

M0 spole oscilloskop

Vippe M0 vekk fra B0 retningen ...

’NMR-signal’ (Free Induction Decay, FID)


Koordinatsystem

B0 Z

X

YMz

Mx


Hvordan vipper vi M0 vekk fra B0?

• 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 B0-retningen

A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiOB1

Introduserer nytt magnetfelt; ’B1’ som står vinkelrett på B0

B0

MR-spoler brukes både for å registrere NMR-signal OG for å generere B1


MR-spoler (coiler)


Ener

giEksitasjons-puls og resonsans-frekvens

B0 (Tesla)

• For at et proton skal eksiteres må det tilføres energi nøyaktig tilsvarende ∆E

• Dette tilsvarer en frekvens:– f= γB0

∆E

∆E=hγB γ=Larmor frekvens eller resonans-frekvensFor hydrogen (1H): γ= 42.58 MHz / T.h=konstant (Planck’s)


B0 M

Vinkel mellom B0 og M etter RF-eksitasjon kalles flip-vinkel


Frekvens (Hz)

106

108

1010

1012

1014

1016

1018

104

102

100

10-2

10-4

10-6

10-8

Bølgelengde (cm)

RadioFrequency

Microwave

Infrared Visible Ultraviolet X-raysGamma rays

Det elektromagnetiske spektrum

MR

A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiOB0

M0

Vevets magnetisering i et magnetfelt


Mxy

RF-puls

M tippes vinkelrett påB0 – kan nå registreres med RF-spole

Vevets magnetisering i et magnetfelt


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)


Romlig bestemmelse av MR-signalet

????


For å komme videre trenger vi...

???

romlig informasjon om hvor i kroppen et gitt NMR signal kommer fra!


Gradient

f0

f+

f+ +

f -f - -

B0 B+ B++B-B--

f = f = γγ BB

Bruke gradienter for å endre Larmor-frekvens som funksjon av posisjon


Fritt valg av snitt-posisjon

Gradient

Gradient


Fourier Transformasjon (FT)

FourierTransformTime

Frequency

Time

Amplitude

FourierTransform

Amplitude

Frequency

FourierTransformTime

Frequency

FT of asine wave

FT of MR signalfrom a single proton

FT of MR signalfrom two protons with different precession frequencies

Konverterer tids-informasjon til frekvens informasjon


Frekvens-koding

f0 A


Frekvens-koding

f0

f

A

f0 f +f -

f0+∆ff0-∆f


Frekvens-selektiv RF-puls

f3

RF-puls

FourierTransform

Frekvens

f2 f1

Bare protoner med Larmorfrekvens∆ f2 eksiteres

RF-puls inneholder kun frekvensene ∆f2


Frekvens- og fasekoding

P0

f0 f+f-

P+

Frekvenskoding

Fasekoding

Hver voxel (volumelement) har unikkombinasjon av frekvens og fase

f1

p1

f2 p2

f3p3

MR-signal

MR signal inneholderfrekvens- og fase-informasjon fra alle voxler


Fasekoding

Matrisestørrelse:N*M

For å rekonstruere hvervoxel i bildet må MR-eksitasjonen gjentas N ganger med forskjelligfasekodings-gradient.

FID 1

FID 2

FID 3

FID N

.

.

.

Fase-kodings gradientP0 P1 P2 ...

Tids-intervallet mellomhver MR-eksitasjon kallesrepitisjons-tiden TR.


Spatsiell koding og kontrast i MR-bildet

X

YSpatsell koding vha

frekvens- og fase-informasjon i hver voxel

Kontrasten bestemmes (bl.a) avforskjellen i signalamplitude i hver voxel– er avhengig av proton-tetthet og relaksasjons-egenskapene i vevet.

Fasekoding

RF-signalet er summen avbidraget fra alle voxler

f2,p2

f1,p1

Frekvens-koding


Multiple MR signaler må dannes for å rekonstruere et MR-bilde

Total opptakstid = N*TR

TR

...eksitasjon# 1

MR signal #1

eksitasjon# 2

MR signal #2

eksitasjon# 3

MR signal #3...

ekitasjon# N

MR signal #N

Fasekoding #2 Fasekoding #3 Fasekoding #NFasekoding #1


Relaksasjon og kontrast ...

????


Proton-relaksasjon forårsaketav to prosesser:

• T1(longitudinal, spinn-gitter) relaksasjon• T2 (transversal, spinn-spinn) relaksasjon

• Relaksasjon forårsakes av molekulære interaksjoner

• T1-relaksasjon påvirker Z-komponenten av M• T2-relaskasjon påvirker XY-kompontenten av M


Relaksasjon

Signal

Tid

Free Induction Decay (FID)

Relaksasjons-prosesser forårsakerraskt tap av MR-signal


T1- og T2-relaksasjonZ

Y

X

90RF puls

o

RelaksasjonTransversal (T2)Longitudinal (T1)

Mz

Mxy

Tid

Signal(Mxy)

CSFhjernefett

Mz

Tid

T2-kontrast

T1-kontrast


T1-relakasjon; gjennvinning av Mz-magnetisering

Mxy

Y

X

Z

Bortfall av Mxy

Gjennvinning av Mz

Mz

Mo

0.63*Mo

T1 er alltid lengre enn T2!


T1-relakasjon; gjenvinning av Mz-magnetisering

Tid

Mz

Mz=0 rett etter en 90° RF puls

MoLikevekt

T1

0.63*Mo

Mz-magnetisering:

Mz=Mo(1-exp(-t/T1) ; t=T1; Mz=M0(1-0.37)=0.63M0


T2-relakasjon; tap av fase-sammenfall

Mxy

Mxy

Tidt=0 (rett etter 90-graders puls)

Mxy magnetisering;Mxy=exp(-t/T2)

Mxy0


T2 relaksasjon• T2 relaksasjons-tid; • ved t=T2; Mxy=0.37Mxy0

Tid etter RF puls ->

Mxy

37%

T2

NB: denne sliden var feil i kompendiet!

Mxy=Mxy0exp(-t/T2)Mxy0

t=T2; Mxy=0.37Mxy0


T1 vs T2 vektede bilder

T1 vektet

T2 vektet


Susceptibilitet og T2*

• Til nå: molekulære relakasjons-effekter; T1 og T2 (spinn-interaksjon)

• En tredje relaksasjons-parameter: T2* avhenger av variasjoner i magnetfeltet over større distanser:– susceptibilitets-effekter


T2* Relaksasjon

• T2 relaksasjon + statiske felt-inhomogeniteter (δB)

• T2* < T21/T2*=1/T2 + γδB

Mxy

T2 kurve

Tid etter RF puls ->

T2*


Kontrast-parametre i MR• Vevs-parametre

– N(H)– T1– T2– T2*– FLow / perfusjon– Diffusjon


Konstrasparametre (II)

• Sekvensparametre– TR, TE, TI, flipvinkel,...

• Sekvenstype– SE, FSE, GRE, EPI,...

• Konstrastmidler


Pulssekvenser ...

????


MR Puls-sekvenser• En serie med eksitasjons-pulser og signal-

avlesninger 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


Spinn Ekko sekvensen

• Bruk av RF-refokuseringspulser• Minimerer statiske defaserings-

effekter (T2*)• God T1, T2 og protonvekting• Godt signal-støyforhold• Lang opptakstid• ’Dårlig’ romlig oppløsning (2D opptak)


Spinn Ekko (SE) Pulssekvens

90

180

90

o

oo

TE

TR

Spinn Ekko

Spinn EkkoSignal

90 pulso

180puls

o

TR = RepitisjonstidTE = Ekkotid

Defasering

Refasering


Spinn Ekko prinsippet


T2 kontrast i Spinn Ekko sekvensen

180 o

90o90o

TE

TR

T2* T2

Spinn ekko

CSFHjernevev

T2 konstrast


90 90 90

T1-kontrast

T1 -kontrast avhenger av forskjeller i magnetiserings-gjennvinning i TR -intervallet

TR


T1-vektet kontrastVevs-signal

TR (ms)

T1-gjennvinning

400 2200

T1 kontrast

CSF

Grå substans

Hvit substans

A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiOImaging & Technology Planning 1994

Kontrast i lang TR SE sekvens

Vevs-signal

TE (ms)

Første ekkoProtonvektet

Andre ekkoT2 vektet

30 100

CSF

Grå substans

Hvit substans

T2 relaksasjon


Kontrast i SE sekvenser

TR (ms)

TE (ms)

T2-vektetDårlig(T1+T2)

Proton vektet(+T1-v)

T1-vektet

800 3000

40

150


TR/TE = 5500/105 ms, 2 Nex, 512x256 matrix

TR/TE= 450/14 ms, 1 Nex, 256x192 matrix

SE


T1-vektet

’proton’-vektet

T2-vektet

Kort TR/TE

Lang TR/ kort TE

Lang TR/ langTE


SE sekvensen

Total opptakstid = N*TR

TR

90o 180

o

#1

90o 180

o

#2

... *N

SE #1 SE #2

Fasekoding #1 Fasekoding #2


SE sekvensen – effektiv bruk av TR-intervallet

TR

90o 180

o

#1

90o 180

o

#2

SE #1

Fasekoding #1 Fasekoding #2’døtid’


90

180

slice #1 slice #2 slice #3 slice #4 slice #1TR

Multi-sliceimaging

Opptak av multiple snitt


90

180

Multiple fasekodinger pr TR-intervall –’Fast (Turbo) Spinn Ekko’ (FSE)

TR

Fase-koding #1

Fase-koding #2

Fase-koding #3

Fase-koding #4


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 90o puls til ekkoet med fasekodings-gradient satt til null

– ’echo train length’: antall ekkoer i hvert TR-intervall (typisk mellom 4 og 128)


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


FSE sekvens

TR/TEeff=2200ms/80ms, NSA=2TR/TEeff=2200ms/22ms, NSA=2


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)


Mxy

T2* kurve

α.-puls

RF

G frekv

GE

Gradient ekko


SE vs GRE

TR/TE/ST :516ms/12ms/3mm20 snitt (2D)

TR/TE/flip/ST :20ms/1.8ms/30o /1.3 mm128 snitt (3D)


SE vs GRE


Gradient Ekko sekvensenartefakter

• Susceptibibilitets-artefakter• TE avhengige fase-effekter

A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiOSE, TE=15 ms GRE, TE=1.8 ms GRE, TE=15 ms

Susceptibilitets-effekter i GRE sekvenser


Ultra-raske opptak:Ekkoplanar (EPI) sekvens


TE = 2,3 + (n*4,6) ms TE = n*4,6 ms

fett

vannute av fase i fase

vann og fettholding voxel

’in-phase / out-of-phase’ effekter i GRE sekvenser

ved 1.5 T:voxel SI


’In-’ og ’out-of-phase’

TE = 2,4 ms TE = 4,8 ms

Ute av fase I fase


Litt mer om pulssekvenser ...

????


• Til nå:– SE /GRE– TR/TE– RF-eksitasjonspuls: flip-vinkel:

• flip=90o (SE)• flip <90o (GRE)

• Videre:– Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser– Raske sekvenser– Øke bilde-kontrasten i raske sekvenser


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


α = 90o

B0

TR << T1 og α = 90o

Mxy

Mz


α = 90o

B0

Valg av flip vinkel i GRE sekvenser

Mxy

Mz


α < 90o

B0

TR << T1 og α < 90o

Mxy

Mz


α < 90o

B0

Valg av flip vinkel i GRE sekvenser

Mxy

Mz


M0

Meq

TR

α = 90o

Mxy

# RF pulser

Valg av flip-vinkel i GRE sekvenser

A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiOTR

Meq

M0

α < 90o

Mxy

# RF pulser



Mxy

# RF pulserM0

Meq

TR

α << 90o



• 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



Rel SI

flip90604020

T1=100ms

T1=300ms

T1=900ms

’ernst’ vinkel

TR=50ms

Optimalisering av f.v. i GRE sekvenser


T1-GRETR=20 ms

Flip=30

Flip=60

Flip=90

TR=100 ms


Bruk av ’pre-pulser’ (magnetization preparation)

• Når sekvensene blir veldig raske, forsvinner ofte kontrasten p.g.a. kortTR/lav f.v.

• T1 /T2 kontrast kan re-introduseres ved bruk av ’pre-pulser’: – Magnetiseringen (nettomomentet)

’forberedes’ før selve MR-opptaket



180O prep.puls(inversjonspuls)

T1=200ms

T1=500ms

T1=900ms

Opptaks-vindu (f.eks GRE, FSE sekvens)

Inversjons-tid (TI)



IR-FSE MPRAGE


Attenuering av vev med lang T1 (CSF)

180O prep.puls(inversjonspuls)

T1=500ms

T1=900ms

T1=3000ms

Inversjons-tid (TI)


TR/TE: 3000 ms / 90 ms

FSE FLAIR

TR/TE/TI: 9000 ms / 110 ms / 2500 ms

Fluid Attenuated Inversion Recovery


Effekt av multiple α-pulser når TR << T2

α α α α

RF-ekko

fid

FID=fid + RF-ekko

TR


α

FID

TE

GRE av FID(’steady-state’ GRE

GRE av fid (’spoiled’ eller T1-GRE)fid

Effekt av multiple α-pulser når TR << T2


TR << T2

α

RF-ekko

GRE av RF-ekko(T2-GRE eller PSIF)

α


TR=20 ms / flip 30

T1-GRE(spoiled GRE)

FID-GRE(FISP)

T2-GRE(PSIF)


En tur i k-space ...

????


K-space konseptet

frekvenskoding

ekko 1

ekko 2ekko 3

fasekoding

.....

.....

.....

gråskala-fremstilling

K-space er en fremstilling av digitaliserte ekkoene. Signalintensiteten i signalet fremstilles med en gråtone.


kontrast

detalj detalj

detalj detalj

K-space og bildeinformasjon


FFT

FFT


lavpass filter


FFT

FFT


høypass filter


K-space og symmetri

• k-space er symetrisk• trenger kun data fra

litt over halve k-space• påvirker signal-støy


K-space og symmetri

frekvens ->

fase ->• Redusere antall

fasekodinger:• ’half-scan’ ’half-fourier’• Redusert opptakstid• Redusert SNR


K-space og symmetri

frekvens ->

fase ->• Måle bare siste del av

ekko:• ’partial/fractional echo’• Kortere ekkotid• Redusert SNR


Hva fikk vi ikke tid til?

• Sekvens-optimalisering• Artefakter• FLOW

– Mikroskopisk (diffusjon)– MRA:

• PCA, TOF, kontrastforsterket MRA• MR-kontrastmidler• Og mye, mye mer …


Videre lesing

’Fokus på MRI og bruk av kontrastmidler’

GE-Amersham (2001)

En introduksjon til MR-fysikk Nobelspris - Lauterburg & Masfield A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiO De...

Documents

Transcript of En introduksjon til MR-fysikk Nobelspris - Lauterburg & Masfield A. Bjørnerud, Fys. Inst. UiO De...