Transcript MRI
MRI Elnevezések NMR - Nuclear Magnetic Resonance (magmágneses rezonancia) MRI - Magnetic Resonance Imaging (mágneses rezonanciás képalkotás) MR Történeti áttekintés 1946 - Felix Bloch & Edward Purcell - 1952 1971 - Damadian MRI: paprika 1976 - Moor és Hinsaw normális és tumorszövet T1 és T2 relaxációs ideje eltér 1973 - Paul Lauterbur NMR jelensége: a páratlan atomszámú atomok mágneses térben rezonálnak MRI: ember 1987 - Magyarország Áttekintés az MRI alapelvei 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 protonok gerjeszti a protonokat tekercsek gerjednek (excitáció), majd visszaállnak (relaxáció) rádiófrekvenciás impulzus statikus elektromágneses mezőt állít elő létrehozzák a rádiófrekvenciás impulzust és/vagy rögzítik a protonok által kiadott jelet grádiensek kis hozzáadott mágneses mezők a jel lokalizálására Mágnesek feltételek: 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: proton (+) neutron elektron (-) nukleon a protonoknak spinjük (perdületük) van, és elemi mágnesként (dipólus) viselkednek 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 Spin „FEL” > spin “LE” mert ez az állapot alacsonyabb energiaszintet jelent D Precesszió a protonok tengelyirányba beállva, imbolyogva pörögnek (~búgócsiga) A protonok 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 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 T1: 500-1000 ms MZ T2: 50-100 ms 63% 37% T1 idő T2 idő spin-rács idő: spin-spin idő: a longitudinális magnetizáció visszanyeréséhez szükséges 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: nem jár energia átadással befolyásolja: gépi szöveti: kicsiny lokális szöveti mágneses mezők 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: szöveti környezet halmazállapot Bo pl: 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: eredete: a mágneses tér inhomogenitása a szinkronba (fázisba) került protonok deszinkronizációja (fázisvesztése) 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: rövid TE - TR T2 súlyozás: 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 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) 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) rövid T1 (zsír) hosszú T1 (víz) Spin echo szekvenciák: PD (kiegyensúlyozott, denzitás) vagy proton 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 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) hosszú T2 (víz) 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 1.4 T 1.5 T 1.6 T 2-2 egymással szemben fekvő tekercs, melyekben ellentététes irányba folyik az áram 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: 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