MRI.

Az előadások a következő témára: "MRI."— Előadás másolata:

1 MRI

2 Elnevezések NMR - Nuclear Magnetic Resonance
(magmágneses rezonancia) MRI - Magnetic Resonance Imaging (mágneses rezonanciás képalkotás) MR

3 Történeti áttekintés 1946 - Felix Bloch & Edward Purcell - 1952
NMR jelensége: a páratlan atomszámú atomok mágneses térben rezonálnak Damadian normális és tumorszövet T1 és T2 relaxációs ideje eltér Paul Lauterbur MRI: paprika Moor és Hinsaw MRI: ember Magyarország

4 Áttekintés az MRI alapelvei az MRI klinikai alkalmazásai
a képalkotás résztvevői mágnes protonok rádiófrekvenciás impulzus tekercsek grádiensek biztonsági megfontolások egy kép létrehozása: MRI szekvenciák az MRI klinikai alkalmazásai anatómiai ábrák MR spektroszkópia MR angiográfia diffúziós technika perfúziós technika funkcionális képalkotás

5 A képalkotás résztvevői
mágnes statikus elektromágneses mezőt állít elő protonok gerjednek (excitáció), majd visszaállnak (relaxáció) rádiófrekvenciás impulzus gerjeszti a protonokat tekercsek létrehozzák a rádiófrekvenciás impulzust és/vagy rögzítik a protonok által kiadott jelet grádiensek kis hozzáadott mágneses mezők a jel lokalizálására

6 Mágnesek feltételek: típusok: homogén mágneses tér nagy térerő
megfelelő térfogat típusok: állandó mágnes elektromágnes nagy ellenállású vasmagvú légmagvú szupravezető

7 Mágnesesség 1 Tesla = 10 000 Gauss földmágnesesség: 1 Gauss
MR készülékekben használatos: 0,5-3 Tesla egy korszerű MR-készülékben a mágneses térerő akár szer nagyobb, mint azon kívül kutatási célra akár 8 Tesla

8 Állandó mágnes állandó = permanens = stabil pl. rúdmágnes, mágnespatkó
hátrány: nagy súly (0,3 T  kg) stabil külső hőmérsékletet igényel előny: nyitott mágnesként is használható

9 Szupravezető mágnes szupravezető = szuperkonduktív
egyes fémek 4 K (=-269°C) hőmérsékleten szupravezetővé válnak, azaz elektromos ellenállásuk megszűnik tekercs: niobium-titánium ötvözet hűtés: cryogének (folyékony hélium, nitrogén) előny: stabil, tartós, homogén mágneses tér nagy térerő hátrány: cryogének miatt drága

10 A protonok az atom részei:
neutron elektron (-) a protonoknak spinjük (perdületük) van, és elemi mágnesként (dipólus) viselkednek nukleon

11 A protonok (Nuclear Magnetic Resonance Imaging)
A páratlan számú elektronnal rendelkező atomok magja „spinnel” rendelkezik a (= erős mágneses >>dipólusú momentum) Pl.: 1H , 13C, 19F, 31P, 23Na Ezen atomok protonjai excitálhatók a „rezonancia” jelenségnek köszönhetően A hidrogén atommag az emberi test fő alkotóeleme (vízben és zsírban: hidrogén atommag van 1 mm3 szövetben) ezért orvosi MRI céljára ezt használjuk

12 A protonok Erős külső mágneses mező hatása az emberi testre
A protonok a mágneses mezőben két irányba rendeződnek: parallel (spin „FEL”) vagy antiparallel (spin „LE”) irányba É D Spin „FEL” > spin “LE” mert ez az állapot alacsonyabb energiaszintet jelent

13 Precesszió a protonok tengelyirányba beállva, imbolyogva pörögnek (~búgócsiga)

14 A protonok = Larmor frekvencia
A protonok meghatározott sebességgel (= frekvenciával) forognak, amely arányos a mágneses mező intenzitásával = Larmor frekvencia Mágneses mező Larmor frekvencia A 1,5 Tesla = 64 MHz A 0,5 Tesla = MHz

15 Larmor frekvencia o=Bo ω a precesszió sebessége
függ a kémiai szerkezettől és a hőmérsékletettől ( - gyromágneses együttható) egyenesen arányos a külső mágneses térerő nagyságával (Bo) 1,5 Tesla  64 MHz 1 Tesla  42,6 MHz 0,5 Tesla  21,3 MHz energiát közölni csak ezen a meghatározott frekvencián lehet o=Bo

16 A rádiófrekvenciás (RF) impulzus (Mágnes Rezonanciás képalkotás)
Egy elektromágneses hullám kibocsátása, melynek frekvenciája a rádióhullámok tartományába esik az RF impulzus hatása A protonok csak akkor nyelnek el energiát, ha az RF impulzussal azonos frekvencián precesszálnak = rezonancia jelenség mint két hangvilla

17 Az RF kettős hatása a protonok energiát vesznek fel  magasabb energiaszintre lépnek a vektor megfordul a transzverzális síkban  longitudinális mágnesesség ↓ a protonok precessziója azonos fázisba kerül  transzverzális mágnesesség ↑

18 Relaxáció a gerjesztett állapot instabil  a RF hullám megszűnésekor elkezdenek visszaállni az eredeti állapotba

19 A longitudinális mágnesesség visszaáll  idővel exponenciálisan nő

20 A transzverzális mágnesesség eltűnik  az idővel exponenciálisan csökken

21 Relaxációs idők MZ T1 idő T2 idő 63% 37% spin-rács idő:
T1: ms T2: ms MZ 63% 37% T1 idő T2 idő spin-rács idő: a longitudinális magnetizáció visszanyeréséhez szükséges idő spin-spin idő: a transversalis magnetizáció elvesztéséhez szükséges idő

22 Longitudinális relaxáció
spin-rács (spin-lattice) relaxáció energia visszabocsátása a „rácsszerkezetbe” (azaz a molekuláris környezetbe) zsír: gyors E leadás  T1 rövidebb víz: gyors mozgású molekulák  E leadása lassú  T1 hosszabb

23 Transzverzális relaxáció
spin-spin relaxáció fázisvesztés (deszinkronizáció) protonok egymás közti kölcsönhatása mágneses tér inhomogenitása: gépi szöveti: kicsiny lokális szöveti mágneses mezők nem jár energia átadással befolyásolja: molekuláris szerkezet halmazállapot víz: inhomogenitások gyorsan kiegyenlítődnek  T2 idő hosszabb zsír: T2 idő rövidebb

24 T1 idő egy szövet T1 ideje a longitudinalis vektor 63%-os újraképződésének ideje milisecundumban kifejezve (élő szövetekben: msec) 2x T1 intervallum alatt az eredeti magnetizació 87%-a 3x T1 intervallum alatt 95%-a épül fel

25 T1 idő függ: pl: szöveti környezet halmazállapot Bo
zsír: rács  T1 gyors víz: T1 lassú

26 T2 idő egy szövet T2 ideje a transzverzális vektor 63%-os csökkenésének időtartama millisecundumban kifejezve (élő szövetekben msec) 2x T2 intervallum alatt a transversalis magnetisationak már csak 13%-a, a harmadik T2 intervallum végére csupán 4%-a van jelen, azaz a protonoknak már csak 4%-a precesszál szinkronban a transversalis síkban

27 T2 idő transzverzális relaxáció:
a szinkronba (fázisba) került protonok deszinkronizációja (fázisvesztése) eredete: a mágneses tér inhomogenitása helyi eredetű műszer eredetű pl: vízben sok szabad molekula gyors mozgása  inhomogentiások gyorsan kiegyenlítődnek  T2 hosszú zsírban a makromolekulák miatt az inhomogenitás nagyobb  T2 rövid

28 T1 és T2 súlyozás minden szövetre jellemző egy adott T1 és T2 idő  el lehet különíteni T1 súlyozott képen a szöveti kontrasztot a szövetek T1 idejeinek különbsége határozza meg T2 súlyozott képen a szövetek megjelenését a T2 idő határozza meg

29 T1 és T2 súlyozás T1 súlyozás: T2 súlyozás: rövid TE - TR
hosszú TE - TR

30 A jelintenzitást befolyásoló tényezők:
TR (repeticiós idő): az az időtartam, melyet a longitudinalis mágneses vektor újraépüléséhez biztosítunk (= a 90°-os RF impulzusok ismétlésének időintervalluma)

31 TR rövidebb TR jobban hangsúlyozza a T1 relaxációs görbék közötti különbséget: a rövid T1 idejű szövetek jele erős (fényes), a hosszú T1 idejűek jele gyenge (sötét) Ha elnyújtjuk a TR-t = ritkábban adjuk az impulzusokat - ez a jeladásbeli különbség egyre csökken, míg végül megszűnik az egyes szövetek közt.

32 Hosszú TR: > 1500 ms hosszú TR-es mérés esetén eltűnik a T1 idők közti különbség  a képet csak a protondenzitás határozza meg

33 Rövid TR < 500 ms a rövid TR-es mérés T1 súlyozott (TR < 7oo ms)

34 A jelintenzitást befolyásoló tényezők:
TE (echo idő): az az időpont, amikor a T2 relaxáció során mérjük a jelet

35 TE idő hosszú TE esetén az egyes szövetek közti transverzális mágnesezettségbeli különbségek nőnek a hosszú T2 idejű szövetek jele erősebb (fényes), a rövid T2 idejűek jele gyengébb (sötét): a hosszú echoidővel a szövetek közti T2 relaxációbeli különbségeket tudjuk hangsúlyozni a TE tehát a T2 relaxációs idejük szerint hangsúlyozza a szöveteket (T2 súlyozás), mégpedig a TR idő függvényében egyre növekedve

36 Az impulzusok közti idők határozzák meg a súlyozottságot.
Szekvenciák szekvencia: különböző rádiófrekvenciás (RF) impulzusok sorozata Az impulzusoktól függően: spin echo (SE) inversion recovery (IR) gradiens echo (GRE) Az impulzusok közti idők határozzák meg a súlyozottságot.

37 Spin echo szekvencia RF – rádiófrekvenciás impulzus S – jel (signal)
TR – repetíciós idő TE – echo idő

38 Inversion recovery szekvencia
TI – inverziós idő zsírelnyomásos STIR: TI = 130 ms vízelnyomásos FLAIR: TI = 2000 ms

39 Gradiens echo szekvencia
RF – a flipszög 0-90 fok között G – mágneses tér gradiens

40 Spin echo szekvenciák tükrözi a T1 és T2 relaxációt, a protondenzitást és érzékeny az áramlási jelenségekre a 90˚-os impulzus megszűnésekor a fázisvesztés miatt a protonok transzverzális mágneses vektora gyorsan csökken az echoidő felénél újabb 180˚-os impulzust adunk a gyorsabb precessziójú spinek pillanatnyi hátrányba kerülnek, de a teljes echoidő lezajlásának idejére utolérik a lassúbb spineket a relaxáció jelensége ugyanazon TE idő alatt megduplázódik

41 Spin echo szekvenciák T1 súlyozott TR rövid (<7oo ms)
rövid T1 (zsír) Spin echo szekvenciák hosszú T1 (víz) T1 súlyozott TR rövid (<7oo ms) TE rövid (<2o ms) minthogy a T2 relaxáció már 1o ms alatt megindul, tisztán T1 súlyozás nem érhető el, konvencionálisan azonban ezeket a képeket T1 súlyozottnak fogadjuk el a rövid repeticiós idővel (TR) jól tudjuk hangsúlyozni a T1 relaxációbeli különbségeket, viszont a rövid echo idő (TE) még nem engedi érvényesülni a szövetek T2 relaxáció szerinti különbségeit a mérés ideje viszonylag rövid, több mérés átlagolására van lehetőség. (NEX > 1)

42 Spin echo szekvenciák:
PD (kiegyensúlyozott, vagy proton denzitás) TR hosszú (2ooo ms) TE rövid (3o ms) a hosszú repeticiós idő (TR) elfedi a T1 relaxációbeli különbségeket, a rövid echo idő (TE) még nem engedi érvényesülni a szövetek T2 relaxációbeli különbségeit így a kapott jel csakis a szövetekben jelenlévő protonok számától (proton denzitás) függ, a szöveti kontraszt pedig gyenge, mert az élő szövetek protonsűrűsége nem különbözik egymástól olyan jelentősen mérési idő hosszú (NEX korlátozott)

43 Spin echo szekvenciák T2 súlyozott
hosszú T2 (víz) T2 súlyozott TR hosszú (>2ooo ms) TE hosszú (8o-12o ms) a hosszú repeticiós idő (TR) elfedi a T1 relaxációbeli különbségeket, viszont a hosszú echo idő (TE) miatt a T2 -beli különbségek jól megmutatkoznak így a kép jelviszonyait a T2 relaxációbeli különbségek határozzák meg mérési idő hosszú (NEX korlátozott) rövid T2 (zsír)

44 A szöveti kontrasztviszonyokat befolyásoló tényezők:
protonsűrűség longitudinális relaxatios idő (T1) transversalis relaxatios idő (T2) kémiai eltolódás (v.s. rezonancia frequentia) mágnesezhetőség (susceptibilitás) áramlási, perfusios, molekuláris mozgások

45 A jelintenzitást növeli:
a protonsűrűség növekedése a T2 (transversalis) relaxatios idő megnyúlása a T1 (longitudinális) relaxatiós idő csökkenése

46 A jelintenzitást csökkenti:
a protondenzitás csökkenése a T2 (transversalis) relaxatios idő rövidülése a T1 (longitudinalis) relaxatios idő növekedése

47 T1 súlyozással erős jeladó elváltozások
zsír (fehérállomány: myelinhüvely) nagy proteintartalom (cysták) áramlási jelenség (lassú, széli, "inflow") haemorrhagia: subacut v. chronicus (intra- v. extracellularis methaemoglobin) melanin (tumorban) paramágneses fémek (vas, réz, mangán -Wilson kór), dystrophiás calcificatio paramágneses kontrasztanyag

48 T2 súlyozással erős jeladó elváltozások
Folyadékok (nem proteintartalmú) CSF, vizelet, cysták, vérömlenyek A legtöbb pathológiás elváltozás (tu, gyulladás), ahol a folyadéktartalom nőtt Lassú áramlás

49 Kiegyenlítő tekercsek
shimming coils a mágneses tér inhomogenitásainak kiegyenlítésére

50 RF antennák RF tekercsek
a mágneses vektor transzverzális komponense elektromágneses jelet gerjeszt, mely tekercsekkel szinuszhullámként detektálható adó-vevő: alkalmasak a RF impulzus leadására vagy a kisugárzott jel vételére

51 Testtekercs a készülékbe építve adó-vevő
kiegészítő tekercs alkalmazásakor csak adó

52 Kiegészítő tekercsek a tekercsek a vizsgált régió anatómiai felépítéséhez igazodnak, hogy minél közelebb legyenek javul a jel-zaj arány felszíni tekercsek fej tekercs térd tekercs

53 Grádiens tekercsek a térerő „lejtését” (hangolását) biztosítják
kiválaszott tengely (x, y, z) mentén egyenletesen növelik a mágneses teret, hozzáadva az eredeti mágneses térhez 2-2 egymással szemben fekvő tekercs, melyekben ellentététes irányba folyik az áram 1.4 T 1.5 T 1.6 T

54 a mágneses mező helyi változását a grádiens tekercsek hozzák létre
a grádiens mentén a protonok eltérő Larmor frekvenciával precesszálnak (Bo!) a grádiensre merőleges szeletek mentén a protonok eltérő frekvenciájú RF impulzussal gerjeszthetők a protonok relaxációja során ugyan ezen a frekvencián sugároznak a rögzített jel frekvenciája alapján lokalizálható a proton helyzete

55 Szeletvastagság meghatározása
impulzus tartomány

56 Jellokalizáció jellokalizációhoz szükséges: Fourier-transzformáció
szeletsík kiválasztása szeleten belüli oszlop kiválasztása szeleten belüli sor kiválasztása Fourier-transzformáció

57 Biztonsági megfontolások
nagyon erős mágnes: vonzza a ferromágneses tárgyakat kontraindikációk (pacemaker, fémklipp, implantátum, protézis) lövedékként viselkednek  nagy veszély a betegre és a készülékre

58 El kell távolítani: a mágneses adathordozók törlődnek

59 Az MR-kontrasztanyagok
a szövetek mágnesezhetőségét befolyásolják ezzel javítják a „szöveti” felbontóképességet intravénásan vagy szájon át adhatók

60 Az MR-kontrasztanyagok hatása
a paramágneses anyagok fokozzák a T1 jelintenzitást, a szuperparamágnesesek pedig csökkentik a T2 jelek erősségét

61 „pozitív” MR-kontrasztanyagok
T1 jelintenzitzást növelő, paramágneses kontrasztanyag a gadolínium (Gd) intravénásan adható készítmények kevés szükséges belőlük (10-20 ml/vizsgálat) gyakorlatilag azonnal hatnak, ezért angiográfiára is alkalmazhatók kiléphetnek a szövetközti térbe is gyorsan kiürülnek

62 Gadolínium a szövetekben
natív Gd jelszint fokozódás T1 spin echo felvételen a környezetnél magasabb víztartalmú agydaganat területén

63 A gadolínium hatása az érpályában
az érpályában pozitív kontrasztanyagként viselkedve, fokozza a T1 jelintenzitást coarctatio aortae

64 „negatív” MR-kontrasztanyagok
T2 jelintenzitást csökkentő, szuperparamágneses tulajdonságú anyagok: mangán (Mn), vas (Fe) máj, lép, csontvelő reticuloendothelialis sejtjeiben hamozódnak lassú beadás (30 perc), lassú beépülés a sejtekbe (+30 perc) lassú kiürülés (kb. 4 óra)

65 Vasoxid a T2 relaxációt befolyásoló anyagot a májban lévő áttét kevésbé veszi fel, mint a környezete

66 Per os kontrasztanyagok
elsősorban a has és kismedence vizsgálatában használjuk a belek elkülönítését segítik a többi képlettől a negatív kontrasztanyagok vas vagy mangán vegyületek, de természetes anyagok is lehetnek (zöld tea, fekete áfonya leve) pozitív kontrasztanyag pl. a tiszta víz