新中問数学標準1年 本冊...Title 新中問数学標準1年_本冊.indb Created Date 9/10/2010 2:03:28 PM
MRI装置の仕組みと - 筑波大学 › ~mrlab › old › workshop_2013.pdf3D High Resolution...
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MRI装置の仕組みと
計測の概要
Ultra-high field MRI Workshop at Todai-Kashiwa(2013-11-15)
筑波大学数理物質系
物理工学域 巨瀬 勝美
My brain
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講演の内容
1.はじめに
2.MRI装置の構成
3.MRIシステムの立ち上げ
-磁石のインストールから撮像まで
4.MR microscopy画像
5.むすび
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MRIとは?
超伝導磁石を用いたMRI(東芝MS) 永久磁石を用いたMRI(日立メディコ)
磁気共鳴イメージング(Magnetic Resonance Imaging)の略.装置
自身もMRIと呼ぶ.水や脂肪に含まれる水素原子核の分布を,NMR
現象を利用して画像化する装置.国内で約6,000台が普及している.
3 T 0.4 T
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典型的MR画像(1):人体用MRI
T1W images, transverse and sagittal section at 3T
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典型的MR画像(2):MR microscope
3DSE, TR = 800ms, TE = 20ms, NEX = 1, FOV = (40.96mm)3,
Matrix = 512×512×128, Voxel size = 80m×80 m× 320 m
88 mm
40 mm
4.7 T sudachi
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MRIの特徴
1.放射線被曝がなく安全に人体内部の構造を描出でき
る.高周波磁場と変動磁場に規制.吸引事故はある
2.軟部組織の画像コントラストに優れ,頭部,脊髄,関節
など骨に囲まれた部位では最優先の手法
3.分子のマクロ・ミクロな運動に関する情報により,体内
組織の物理的・化学的情報を描出できる:血管や体液の
分布や流れ,分子拡散の可視化
4.脳機能計測:血液の局所的な磁化率の時間的変化を
観測.神経科学における革命的手法
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MRIで使われる原子核種
実用的なレベルでイメージングに使用されるのは1Hのみ
核種 スピン量子数 共鳴周波数(MHz/T) 天然存在比(%) 1H 1/2 42.6 99.985
19F 1/2 40.1 100
3He 1/2 32.4 -
31P 1/2 17.2 100
129Xe 1/2 11.8 26.44
23Na 3/2 11.3 100
13C 1/2 10.7 1.108
2H 1 6.54 0.015
17O 5/2 5.77 0.037
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hyperpolarized 3HeのMR画像
1H画像と3Heの合成画像(左)
超偏極3Heガス吸入における時間分解最大値投影(MIP)像.1~9秒までは吸入期.10~21秒は呼吸停止期.22~25秒は呼気期.
J. H. Holmes et al. Magn. Reson. Med. 59:1062-1071(2008).
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hyperpolarized 13CのMR画像
大腿静脈より1ml/sで静注後に1秒毎に撮像(Yorkshire pig).
M. Ishii et al. Magn. Reson. Med. 57:459-463 (2007).
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23Na(NA=100%)のMR画像
1.5Tにおける1H-FLAIR像 4.7Tにおける23Na像(発作24時間後) R. Bammer, ISMRM2008 weekend course
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17O(NA=0.037%)のMR画像
7 TにおけるNatural abundanceの17O像(左)と1H(右)
共鳴周波数は40.8MHzと300MHz
Hoffmann et al. MRM, 2011.
17O 1H
生体内存在量と天然存在比の両方が大きくないと実用的でない!
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講演の内容
1.はじめに
2.MRI装置の構成
3.MRIシステムの立ち上げ
-磁石のインストールから撮像まで
4.MR microscopy画像
5.むすび
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MRI装置の構成(アナログ&デジタル)
アナログとデジタルの両トランシーバーを用いたMRIシス
テム.システム移行中に撮られた珍しいシステム構成
Digital
TRX
Analog
TRX
Kumquat in a
solenoid coil probe
4.74T
SCM
G driver
TR
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MRI装置の構成(ブロック図)
MRIは,信号検出系(磁場系)と計測制御系(電気系)に分けられる
MRI
Transceiver
Pulse
Programmer
Magnet
gradient coil
RF coil
Gradient driver
Transmitter
Preamp (LNA)
Host
Computer
interface
interface
Signal detection system
MRI console Amplifier units
Magnet
gradient coil
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MRI装置の構成
信号検出系(マグネトニクス?)
静磁場発生磁石(超伝導磁石,永久磁石)
勾配磁場コイル(円筒形,平板型,シールド(y/n))
RFコイル(円筒形,サーフェスコイル,アレイコイル)
計測制御系(エレクトロニクス)
計算機(ミニコン→Workstation→PC→Tablet)
RFトランシーバー(アナログ→デジタル)
パルスプログラマ(MPU,DSP,FPGA,PC)
トランスミッター(1W~50kW)
グラジエント電源(±10A~±500A,リニア→PWM)
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MRI装置の構成:磁石
超伝導磁石(9.4T) >>> 永久磁石(0.2T)
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MRI装置の構成:永久磁石の利点!
永久磁石の屋外への設置例(portability & openness)
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MRI装置の構成:勾配磁場コイル
平板型勾配磁場コイル 円筒形勾配磁場コイル
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MRI装置の構成:勾配磁場コイル
Gz Gy Gx
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MRI装置の構成:RFコイル
キャパシタを用いた分割により,自己共振周波数を低下
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MRI装置の構成:RFコイル
キャパシタを用いた分割により,自己共振周波数を低下
LC並列共振RFタンク回路
CT
CM1
CM2
RFコイル
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MRI装置の構成:勾配磁場プローブ
ソレノイドRFコイルを用いた勾配磁場プローブ(堀賀他)
30 mm 40 mm
88 mm 88 mm
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MRI装置の構成:計算機
歴史的に主役は交代してきた.次はTablet?
Minicomputer Workstation High-performance PC
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MRI装置の構成:トランシーバー
Analog → → → → → → → → Digital
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アナログとデジタルの違い : DC noise?
どちらのトランシーバーでも,同様のimage qualityが得られた
Cross sectional images acquired with the analog and the digital transceivers using a 3DSE
sequence with TR/TE = 800ms/20ms, FOV = (40.96 mm)3, image matrix: 5122 x 64, NEX = 1
analog digital
60 MHz sampling 50 kHz sampling
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アナログとデジタルの違い : DC noise?
アナログトランシーバーでは,DCオフセットによる輝点が見られた
Cross sectional images acquired with the analog and the digital transceivers using a 3DSE
sequence with TR/TE = 800ms/20ms, FOV = (40.96 mm)3, image matrix: 5122 x 64, NEX = 1
analog digital
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アナログとデジタルの違い : 位相安定性?
デジタルトランシーバーでは,均一なバックグラウンドノイズが観測された.いっぽ
う,アナログトランシーバーでは,アナログ回路の非線形性や位相の不安定性に
起因すると思われるゴースト状のアーチファクトが観察された.
PE PE
isotropic noise
Carrier leak
: now fixed digital analog
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MRI装置の構成:パルスプログラマ
PCを用いたものは柔軟性に富み開発時間も短い(Patented)
1. Microprocessor
2. DSP (digital signal processor)
3. FPGA (field programmable gate array)
4. PC with a large buffer memory
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講演の内容
1.はじめに
2.MRI装置の構成
3.MRIシステムの立ち上げ
-磁石のインストールから撮像まで
4.MR microscopy画像
5.むすび
![Page 30: MRI装置の仕組みと - 筑波大学 › ~mrlab › old › workshop_2013.pdf3D High Resolution Imaging at 9.4T 化学固定ヒト胚子標本CS22(京都大学先天異常標本解析センター)](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081323/5f04784f7e708231d40e2091/html5/thumbnails/30.jpg)
MRI装置(9.4T)の立ち上げ
冷えた状態で出荷された(cold shipping)超伝導磁石(2013-9-24)
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
設置作業:門柱でリフトアップして脚を取り付ける
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
液体窒素と液体ヘリウムの補給.その後,励磁.9.40433637T
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
磁石のインスト終了.5ガウスラインは,半径約1m(要注意!)
1 m
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
MR microscopy用グラジエントコイルプローブ(平板型Gコイル)
53 mm
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
内径12.8mm,4ターンソレノイド.線径1.5mm(キャパシタで2分割)
12.8 mm
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
分割なしのとき,324MHzで50マッチング → 400MHzへC分割
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
15pFチップキャパシタで2分割により400MHzでマッチング
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
グラジエントコイル装着前のプローブ(直径53mm)
27 mm 53 mm
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
開口径40mmの平板型グラジエントコイルプローブ → 1/2へ
54 mm
石澤君設計
堀賀君製作
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
ギャップ54mmのワイドボア用に設計されたGコイル(by Ishizawa)
ROI
target
不均一性
[%]
1層の効率
[G/cm/A] コイル間ギャップ[mm]
巻線径
[mm]
電流面径
[mm]
1層の
巻き数
Gx 40 mm
球
25.7 0.35 55 0.5
79
14
Gy 29 0.28 58 12
Gz 9.8 0.8 60 0.4 21
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
Gxコイル(両面) Gyコイル(両面)
直径0.26mmのフォルマル被覆銅線で作成
38 mm
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
Gxの実装状態.勾配磁場の電流効率は2.8G/cm/A.R=3.1
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
Gyの実装状態.勾配磁場の電流効率は2.2 G/cm/A.R=2.6
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
Gzの実装状態.勾配磁場の電流効率は4.2G/cm/A.R=1.3
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
仮止めの状態で使用中に,グラジエントコイルが破壊
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
破壊されたGxコイル.3Aで,1cmあたり30gw程度の力を受ける.
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
Gコイルとリード線部分を,エポキシ系樹脂で固めて完成!
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
ファントム撮像.TR/TE=200ms/20ms,50m立方.
6.4 mm
25.6 mm
12.8 mm
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MRI装置(9.4T)の立ち上げ
このセクションのまとめ
超伝導磁石とMRIコンソール
を導入し,勾配磁場プローブ
を製作すれば,高性能のMR
microscopeが完成する.
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講演の内容
1.はじめに
2.MRI装置の構成
3.MRIシステムの立ち上げ
-磁石のインストールから撮像まで
4.MR microscopy画像
5.むすび
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4.7Tにおけるイチゴの撮像(2563撮像)
TR/TE=200ms/3.5ms
3DGRE, 2563
(125m)3, 1NEX
維管束構造の可視化
TR/TE=600ms/12ms
3DSE, 2563
(100m)3 , 1NEX
MIP Cross section
とちのおとめ
Porous structure
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4.7Tにおけるタマネギの撮像(2563撮像)
256256 256 pixels, (50 m)3 voxel, (12.56 mm)3 FOV
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4.7Tにおけるペコロスの撮像(1024264撮像)
内径40mmのプローブを使用
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4.7Tにおけるペコロスの撮像(1024264撮像)
1024×1024×64 pixels (40.96 mm2 FOV), TR=800ms, TE=32ms
40.96 mm
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4.7Tにおけるペコロスの撮像(1024264撮像)
1024×1024×64 pixels (40.96 mm2 FOV), TR=800ms, TE=32ms
20.48 mm
![Page 56: MRI装置の仕組みと - 筑波大学 › ~mrlab › old › workshop_2013.pdf3D High Resolution Imaging at 9.4T 化学固定ヒト胚子標本CS22(京都大学先天異常標本解析センター)](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081323/5f04784f7e708231d40e2091/html5/thumbnails/56.jpg)
4.7Tにおけるペコロスの撮像(1024264撮像)
1024×1024×64 pixels (40.96 mm2 FOV), TR=800ms, TE=32ms
10.24 mm
![Page 57: MRI装置の仕組みと - 筑波大学 › ~mrlab › old › workshop_2013.pdf3D High Resolution Imaging at 9.4T 化学固定ヒト胚子標本CS22(京都大学先天異常標本解析センター)](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081323/5f04784f7e708231d40e2091/html5/thumbnails/57.jpg)
4.7Tにおけるペコロスの撮像(1024264撮像)
1024×1024×64 pixels (40.96 mm2 FOV), TR=800ms, TE=32ms
5.12 mm
![Page 58: MRI装置の仕組みと - 筑波大学 › ~mrlab › old › workshop_2013.pdf3D High Resolution Imaging at 9.4T 化学固定ヒト胚子標本CS22(京都大学先天異常標本解析センター)](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081323/5f04784f7e708231d40e2091/html5/thumbnails/58.jpg)
3D High Resolution Imaging at 9.4T
化学固定ヒト胚子標本CS22(京都大学先天異常標本解析センター)
TR/TE=100ms/5ms, 3DGE, 256×256×512, (60m)3, 12NEX
15 mm
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講演の内容
1.はじめに
2.MRI装置の構成
3.MRIシステムの立ち上げ
-磁石のインストールから撮像まで
4.MR microscopy画像
5.むすび
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むすび
1. MRI装置の構成に関して,実例を中心とした紹
介を行った.
2. 9.4Tの超伝導磁石を用いたMR microscopyの
構築のプロセスを紹介した.
3.4.7Tの超伝導磁石を用いたMR microscopy画
像の紹介を行った.
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Special Thanks to MRLab
& MRTechnology