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