MRI

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

Történeti áttekintés 1946 - Felix Bloch & Edward Purcell - 1952 NMR jelensége: a páratlan atomszámú atomok mágneses térben rezonálnak 1971 - Damadian normális és tumorszövet T1 és T2 relaxációs ideje eltér 1973 - Paul Lauterbur MRI: paprika 1976 - Moor és Hinsaw MRI: ember 1987 - Magyarország

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

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

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

Mágnesesség 1 Tesla = 10 000 Gauss földmágnesesség: 1 Gauss MR készülékekben használatos: 0,5-3 Tesla egy korszerű MR-készülékben a mágneses térerő akár 30 000-szer nagyobb, mint azon kívül kutatási célra akár 8 Tesla

Állandó mágnes állandó = permanens = stabil pl. rúdmágnes, mágnespatkó hátrány: nagy súly (0,3 T  15 000 kg) stabil külső hőmérsékletet igényel előny: nyitott mágnesként is használható

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

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

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: 1019 hidrogén atommag van 1 mm3 szövetben) ezért orvosi MRI céljára ezt használjuk

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

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

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 = 21.3 MHz

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

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

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 ↑

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

A longitudinális mágnesesség visszaáll  idővel exponenciálisan nő

A transzverzális mágnesesség eltűnik  az idővel exponenciálisan csökken

Relaxációs idők MZ T1 idő T2 idő 63% 37% spin-rács idő: T1: 500-1000 ms T2: 50-100 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

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

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

T1 idő egy szövet T1 ideje a longitudinalis vektor 63%-os újraképződésének ideje milisecundumban kifejezve (élő szövetekben: 200-2000 msec) 2x T1 intervallum alatt az eredeti magnetizació 87%-a 3x T1 intervallum alatt 95%-a épül fel

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

T2 idő egy szövet T2 ideje a transzverzális vektor 63%-os csökkenésének időtartama millisecundumban kifejezve (élő szövetekben 30-100 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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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)

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)

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)

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

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

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

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

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

Kiegyenlítő tekercsek shimming coils a mágneses tér inhomogenitásainak kiegyenlítésére

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

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

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

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

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

Szeletvastagság meghatározása impulzus tartomány

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

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

El kell távolítani: a mágneses adathordozók törlődnek

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

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

„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

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

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

„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)

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

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