Medisinsk Teknisk Avdeling MR-fysikk Lars Ersland Medisinsk Teknisk Avdeling Haukeland Sykehus

MR - forkortelser (N)MR (Nuclear) Magnetic Resonance MRI Magnetic Resonance Imaging MRT Magnetic Resonance Tomography MRS Magnetic Resonance Spectroscopy MRA Magnetic Resonance Angiography

Magnetisk Resonans Imaging (MRI) Historikk Hovedkomponenter i et MRI-system Fenomenet NMR Sikkerhet - Statisk B0 felt - Gradient felt - RF felt

Historikk 1923 W.Pauli oppdager fenomenet kjernespinnresonans 1946 De amerikanske forskerne Felix Bloch og Edward Purcell la grunnen for det som siden skulle utvikle seg til MRI. De beskrev uavhengig av hverandre fenomenet NMR, og fikk i 1952 Nobel prisen i fysikk for denne oppdagelsen.

Historikk (fortsetter) 1970 Proposal av Lauterbur introduserer MRI 1979 Det første MRI snittbildet (Lauterbur) 1986 Første MRI-innstallasjon i Norge (Stavanger)

Hva er MRI Magnetisk Resonanstomografi, MRI, er en relativt ny billedgivende diagnosemetode. Istedenfor røntgenstråling utnyttes i MRI en kombinasjon av magnetfelt og radiobølger sammen med en kraftig datamaskin for billed-dannelse og analyse.

Hva er MRI (fortsetter) På dataskjermen presenteres snittbilder av pasientens indre. Vilkårlige plan kan avbildes direkte. Ulike former for rekonstruksjon og billed analyse-teknikker er tilgjengelige Rekonstruksjon: MPR, MIP Billedanalyse: binæropperasjoner, statistikk,..

Posisjonering

Posisjonering EPI-opptak Sagitalt snitt Aksiale snitt

Komponenter i et MRI-system Kraftig Magnet Gradientspoler Radio-sender og mottaker-enhet Kraftig prosesseringsenhet (datamaskin)

MR-maskinen SIEMENS Magnetom VISION B0=1.5 Tesla Erling Andersen

MR-hodespole Erling Andersen

Pasient/Forsøksperson Erling Andersen

Kjerne-spinn Protoner og nøytroner har en kvantefysisk egenskap kalt spinn. Spinner om sin egen akse Protoner har positiv ladning. Nøytroner er nøytrale. De enkelte protoner/nøytroner danner par som spinner i motsatt retning. Bare kjerner med et odde antall protoner/nøytroner har et observerbart spinn.

Hydrogen protonet I MRI-sammenheng brukes utelukkende hydrogenatomet 1H. Hydrogen atomet består av kun ett proton. Det har derfor både spinn og magnetisk moment. Hvert av 1H-protonene kan betraktes som en liten magnet som spinner om sin egen akse, og der magnet-feltets retning er nord-syd langs spinn-aksen.

Hydrogen protonet (fortsetter) 1H-atomet er det mest egnede i MRI-sammenheng fordi det er mye av det i kroppen og fordi det produserer det kraftigste signalet av alle vanlige stabile atomkjerner.

Høyrehåndsregelen Høyrehåndsregelen forteller oss magnetfeltretningen i forhold til spinnretningen.

Kvantisering av spinn

Netto magnetisering

Presessering Enkeltprotoner og resultant magnetisering presesserer rundt B0 med frekvens f0.

Kjerne Spinn Resonans Resonansbetingelse: Resonansfrekvensen (Larmor frekvensen), Gyromagnetisk konstant. B0 = Pålagt statisk magnetfelt. Eks1.: B0=1.0 Tesla => f0=42Mhz Eks1.: B0=1.5 Tesla => f0=63Mhz

Kvantisering av spinn

Free Induction Decay (FID)

Billedparametre T1 relaksasjonstid T2 relaksasjonstid Protontetthet

T1 relaksasjonstid

T2 - Vevsavhengig defasing i xy-planet T2* - Vevsavhengig defasing + defasing pga. innhomogeniteter i B0

Defasing

T1 kurver for ulike vev

T2 kurver for ulike vev

Billed dannelse Gradientsystemet: Snittvalg og oppbygning av billedpunkter skjer ved et ekstra, kontrollerbart magnetfelt, overlagret B0. Dette kalles gradientfelt. Gradientfelt i Z, Y og X-retningen.

Gradient-spoler

Bilde generering

Snittvalg

Snittvalg

X gradienten

Y gradienten

RAW-data

MR Sikkerhet Statisk magnetfelt (B0): - Biologiske effekter - Mekaniske effekter RF effekter: - Varme utvikling, Brann-skader. - Biologiske effekter (ikke termiske) Virkninger av alternerende gradient-felt (dB/dt) Auditive/støy effekter. Cryogen Intravenøs kontrast MR og graviditet MR og pacemakere Psykologiske aspekter (for eksempel klaustrofobi) Ref.: http://kanal.arad.upmc.edu/mrsafety.html

Frekvens spekter

Statisk magnetfelt (B0), biologiske effekter Flere strukturer i kroppen blir påvirket av B0, bl.a.: retina, pineal gland (corpus pineale) og noen celler i paranasal sinuses (nesebihulene). (paramagnetisk melanin) Det er vist at røde blodlegemer endrer form og posisjon i forhold til et ekstern magnetfelt. Av størrelsesorden er dette en liten effekt, og en har ikke funnet noen klinisk signifikans. Fotoreseptorceller i øyet stiller seg inn i forhold til B0 Ingen klinisk effekt.

Statisk magnetfelt (B0), biologiske effekter (fortsetter) Visuell stimuli er rapportert som følge av bevegelse av globe(øyeeple)/retina under påvirkning av kraftig magnetfelt. Svimmelhet, hodepine og metallisk smak i munnen er raportert fra forskermiljø med B0>4Tesla Konklusjon: Ingen skadelige biologiske effekter fra det statiske magnetfelt B0, anvendt i MRI-sammenheng, så langt. Det er stor forskningsaktivitet på området med forskjellige dyremodeller og ved ulike feltstyrker.

Statisk magnetfelt (B0), mekaniske effekter Ferromagnetiske objekter i nærheten av MR-enheten: skalpeller, oksygenkolber, sakser osv. blir prosjektiler Magnetkort: Bankkort, busskort osv. tåler ca 20mT. Implantater: Anurisme-klips, stenter, metall-partikler i øyet, metallpartikkler etter operative inngrep, proteser, osv. Dette representerer en fare for pasienten i MR-maskinen.

RF-effekter, varmeutvikling RF-effekt deponering øker med kvadratroten av feltstyrken. Global og lokal oppvarming av vev er avhengig av en rekke faktorer: - Hvilken spole som er sender-spolen - Type MRI-opptak, TSE, GRE, osv. - MR-opptaksparametre: FOV, TE, TR, antall snitt osv. - Pasientens vekt. Kontroll av at estimert temperaturstigning, lokalt, ikke overskrider ca. 1o C skjer i hardware i MR-maskinen (SAR)

RF-effekter, varmeutvikling Forbrenning i forbindelse med ledende objekter mot bar hud er rapportert flere ganger ved feltstyrker 1+ Tesla. Forbrenning forårsakes av induserte spenninger og sekundære resistive tap i pasientens vev. Forbrenninger kan typisk forekomme ved: - Ledninger mot bar hud - Tatoveringer (inneholder ofte metall) - Sminke - Implantater av ulike slag

RF-effekter (ikke termiske)

Dedikerte systemer

Dedikerte systemer

Dedikerte systemer

Spoler Phased Array Ankel Phased Array Kne. Phased Array Håndledd

Spoiled FLASH

EPI (Echo planar imaging) RF Seleksjon Frekvens Fase Signal tid