KAPITTEL 3 TEMA KAPITTEL 3 tar for seg ulike etablerte metoder, samt forslag til nye metoder, for å primært tidsmessig gjøre en mer effektiv innsamling av rådata. Denne reduksjonen i scantid disse metodene har muliggjort, har medført en lang rekke nye MR anvendelser (applikasjoner): Avbildinger av abdomen Hjerteavbildning First pass kontrast bolus avbildning Diffusjons avbildning Generelt mer omfattende undersøkelse innen forbi samme undersøkelse tid. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Følgende nye pulse sekvenser vil bli introdusert i løpet av KAPITTEL 3 undervisningen: Multi shot og single shot Turbo Spin Echo (TSE) Multi shot og single shot Echo Planar Imaging (EPI) Gradient and Spin echo (GRASE) I tillegg vil vi introdusere to eksperimentelle datainnsamlings metoder: Radial imaging Spiral imaging UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Generelt under et MR opptak følger vi et datainnsamlings mønster der en komplett linje med ulike kx verdier registreres. En slik linje kalles en profil der antall kx verdier i hver profil gir oss grunnlaget for bildeoppløsning og informasjonen i x-retningen (frekvens/måle/ utlesning retningen) i bildet. Målegradient t kx = γ Gx (t´)dt´ ∫ te tid Sampling av MT(t)-verdier kx UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 For at vi skal ha nok rådata informasjon til å kunne generere et MR- bildet, må vi ha like mange profiler som vi ønsker bildeoppløsning i y-retningen, typisk 64,128 eller 256. I enhver ny profil må fase informasjonen i de registrerte signalene være forskjellig fra tidligere registrerte profiler. Dette gjøres ved at fasegradienten varieres fra snitt eksitasjon til snitteksitasjon. t ky = γ Gyn (t´)dt´ ∫ te ky tid Gyn UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Posisjonen i k-planet på et gitt tidspunkt, t, er gitt av uttrykkene: I løpet av et MR opptak vil datainnsamlingen følge en viss bane (trajectory) i k-space. Banehastigheten på et tidspunkt er gitt som: Mens baneretningen er gitt som: t ∫ t kx = γ Gx (t´)dt´ og ky = γ Gyn (t´)dt´ ∫ te te dkx(t) dky(t) = γGx (t) og = γGyn (t) dt dt dky(t) Gyn(t) = dkx(t) Gx(t) UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 I praksis betyr dette at vi ved å variere frekvens og fase gradienten i tid, kan generere hvilke som helst bane i k-space. Problemet med denne tilnærmelsen er å rekonstruere de rådata som som registreres. For at Fast Fourier Transformen (FFT) skal fungere må kartesiske måledata anvendes. For radielle scan (senere i kapitellet) finnes muligheten å rekonstruere rådata fra projeksjoner, mens for andre mulige innsamlings baner, må man tilpasse målepunktene til det kartesiske system. På kommersielle MR systemer finnes kun pulssekvenser som bruker Fast Fourier Transformasjonen for å rekonstruere MR bildet fra rådata. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Prosessen fra rådatabilde til MR bilde er gjengitt under: UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 2D FFT Rådata 2D FFT UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Svak fase gradient Kontrast/signal UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Kraftig fase gradient Detaljer UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 For å redusere scan tiden har vi flere muligheter: Redusere TR tiden Redusere antall NSA Redusere antall profiler (antall fase kodinger) Parallell avbildning Øke antall profiler pr. TR Den første sekvensen som muliggjorde segmentasjon (flere k-profiler pr. TR) var Turbo/Fast Spin Echo sekvensen. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Fra Standard Spinn Ekko til Multiple Spinn ekko: 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 90° Sel. Fase Måle UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Fra Multiple Spinn ekko til Turbo Spinn Ekko: 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 90° Sel. Fase Måle tid Kontrasten i bildet dannes på et tidspunkt da fasegradientene har sine laveste verdier. ky kx UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Fra Multiple Spinn ekko til Turbo Spinn Ekko: 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 180° 90° Sel. Fase Måle tid Profil rekkefølgen bestemmer kontrasten i det endelige bildet. Ekkotiden for en TSE sekvens er tiden fra 90 graders pulsen til ekkoet som genereres når fase gradienten er null. Denne ekkotiden kalles TEeff (effektive ekko tid). UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 I et TSE opptak eksiterer vi snittet for så å generere flere linjer i k-space ved hjelp av multiple ekko. Reduksjonen i scan tid pr. snitt bestemmes av antall ekko. Dersom dette f.eks er 6 ekko pr. TR vil scan tiden reduseres til en 1/6 av en standard SE sekvens. Antall ekko i en TSE sekvens kalles sekvensens Turbo faktor. I eksempelet over med turbo faktor = 6 må fremdeles bruke flere eksitasjoner (”skudd”) for å samle inn nok informasjon til å fylle k-space. Vi kaller en slik sekvens for Multi shot TSE. Dersom T2 tiden til det vi skal avbilde er meget lang, er det på dagens MR-systemer mulig å eksitere snittet kun en gang, for deretter å skape mange nok ekko til å fylle hele k-space. Dette kalles Single shot Imaging. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Profil rekkefølgen bestemmer kontrasten i det endelige bildet. Lar vi de svakeste verdiene av fasegradienten kode de første ekkoene, vil dette kunne gi oss T1 eller protonvektede bilder avhengig av TR tiden. Proton vektet bilde Knytter vi de lave fase trinnene til ekko ved 80ms eller lenger, vil det endelige bildet være T2-vektet. T2 vektet bilde UIO Fys-Kjm 4740

Linjær: Man starter ytterst i k-space og beveger seg KAPITTEL 3 Det finnes flere muligheter til ulike profil innsamlings rekkefølger. De to vanligste er: Linjær: Man starter ytterst i k-space og beveger seg via senter linjen til k-linjen i det andre ytterpunktet. Sentrisk/Low High: Man begynner med senter linjen i k-space for så å samle alternerende linjer på begge sider av senterlinjen til man når ut til hjørnene i k-space. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 En generell måte å redusere scan tiden på, er å redusere antall registrerte ky verdier. Dette fører normalt til dårligere oppløsning i bildets fase retning. Men det er også mulig å utnytte k-space symmetri egenskaper. I praksis betyr dette at vi må registrere minimum 60% av profilene. Data fra de manglende profilene får man fra tilsvarende linjer symmetrisk om ky = 0 profilen. Dette gir en max. reduksjon i scan tid på 40%. SNR i det endelig bildet i dette eksempelet er redusert med roten av 0,4. Metoden kalles half scan- eller half Fourier Imaging. k-space UIO Fys-Kjm 4740

Det finnes flere kilder til bilde artefakt for TSE sekvensene. KAPITTEL 3 Det finnes flere kilder til bilde artefakt for TSE sekvensene. De viktigste av disse er: - Samling av ekko i non-steady state. Lik fase på eksitasjon og refokuseringspuls. Avvik fra 90 graders fase forskjell mellom eksitasjon og refokuseringspuls. Feil gradient areal p.g.a eddy strømmer. Stimulerte ekko p.g.a. ikke-perfekte 90 og 180 grader firkant pulser. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Lik fase på eksitasjon og refokuseringspuls. Dersom 90 og 180 graders pulsene har samme fase vil en imperfekt 180 graders pulse (dvs. at pulsen er mer eller mindre enn 180 grader) medføre at det registrerte signal dør raskt ut. Løsningen på dette problemet er å la 180 graders pulsen slå magneti- seringen om en akse som er 90 grader på den aksen eksitasjonspulsen bruker. En slik sekvens kalles Carr-Purcell-Meinboom-Gill (CPMG). UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Feil fase mellom eksitasjon og refokuseringspuls. Ved en CPMG sekvens skal faseforskjellen mellom eksitasjon og refokuseringspulsene være 90 grader. Dersom det oppstår en fase- feil, α, vil dette medføre at annet hvert ekko dreies om en akse som er α grader i forhold til y-aksen. Det endelige bildet vil da inneholde både det ”riktige” bildet, samt et ”ghost” bilde som er plassert med et shift i faseretningen tilsvarende verdien til α. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Feil i gradient areal p.g.a eddy strømmer. Eddy strømmer i magnetens metallstrukturer fører til uønskede temporære magnetfelt som medfører at de nøye kalkulerte gradient felt arealene får feil verdi. Dette kan føre til både feil i signalenes frekvens og faseverdi, noe som igjen gir opphav til en lang rekke artefakt (ghosting, blurring og bilde distorsjon). P.g.a meget god eddy strøm kompensasjon i dagens MR systemer er ikke dette fenomenet et stort problem. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Feil p.g.a manglende firkant pulser. En RF puls vil aldri gi opphav til den samme effekten over hele snittet. Dette betyr at en 180 graders puls vil han en lavere verdi i ytter-punktene av snittet. En slik begrensning gir opphav til såkalte stimulerte ekko. Disse signalene vil blande seg med hoved ekkoet. P.g.a ulik fase mellom disse ekkoene kan vi ende opp med striper i det endelige MR-bildet. UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Dersom vi i stedet for å generere multiple spinn ekko inn forbi en gitt TR tid, genererer multiple gradient ekko, har vi en multi ekko gradient ekko sekvens. En slik multi ekko gradient ekko sekvens kan f.eks brukes til å måle T2*. Dersom hvert av de utleste gradient ekkoene får sin egen fasekoding har vi laget en sekvens som kalles ekko planar imaging. I single shot versjon er dette den raskeste sekvensen vi har på MR systemet UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 EPI sekvensen RF Seleksjon Frekvens Fase Signal UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Multi shot EPI reduserer distorsjons artefaktet i pulssekvensen. 1 shot 2 shots 8 shots 4 shots UIO Fys-Kjm 4740

KAPITTEL 3 Det er mulig å kombinere både multiple spinn ekko og multiple gradient ekko i en pulse sekvens. En slik sekvens kalle GRAdient ekko Spinn Ekko (GRASE). 180° 180° 90° RF Sel. Frekv. Fase Signal Tid UIO Fys-Kjm 4740