Magneettikuvauksen fysiikkaa - Oulun seudun ammattikorkeakoulu
Transcription
Magneettikuvauksen fysiikkaa - Oulun seudun ammattikorkeakoulu
Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin Jukka Jauhiainen Yliopettaja, FT Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö Hyvinvointiteknologian koulutusohjelma (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Mitä magneettikuvaus on ? • • • • MRI = Magnetic Resonance Imaging NMR = Nuclear Magnetic Resonance Atomiytimen magneettiset ominaisuudet Kontrasti syntyy kudoksen kemiallisten ominaisuuksien perusteella • Pehmytkudoskontrasti (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Historiaa • • • • • • • • • 1946 Bloch ja Purcell: NMR-ilmiö 1960 NMR-spektroskopia 1972 Tietokonetomografia 1973 Lauterbur: Takaisinprojisointi 1974 Fourier-kuvaus: Ernst 1980 Ensimmäinen magneettikuva 1986 Gradienttikaiku, NMR-mikroskopia 1988 MR-angiografia: Dumoulin 1989 EPI (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Mitä MRI mittaa ? • Ihminen on pääosin vettä ja rasvaa • 63 % ihmiskudoksesta on vetyatomeja 1H • MRI-signaali on vety-ydinten lähettämää radiotaajuista (MHz) värähtelyä. • Jokainen kuvan vokseli sisältää yhtä tai useampaa kudosta • Vokseli -> solu -> vesimolekyyli -> vetyatomi -> ydin -> protoni -> spin • Protonin spin tuottaa MRI-signaalin • Kontrasti: Rasvalla ja vedellä erilaiset NMR-ominaisuudet (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 Atomin rakenne ja kuvantamismenetelmät Ydin: -Protonit -Neutronit Elektroniverho Radioaktiivisuus Ydínmagneettinen resonanssi Isotooppilääketiede Magneettikuvaus (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001/2010 Röntgenabsorptio Röntgenkuvaus Magneettikuvauksen periaate yhdellä kalvolla H (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Ytimen spin H • Ytimillä, joilla on pariton määrä protoneja ja neutroneja, on pysyvä magneettinen momentti, ydinspin. • Nettomagnetoituma, eli kaikkien näytteessä olevien ydinspinien (vektori)summa on nolla. • Ihmiskudoksessa on valtavan paljon ytimiä !!!! (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Ei ulkoista magneettikenttää • Ilman ulkoista magneettikenttää ydinspinit ovat suuntautuneet satunnaisesti eri suuntiin (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Ulkoinen magneettikenttä • Kun magneettiset ytimet joutuvat ulkoiseen magneettikenttään, suuntautuvat ydinspinit joko kentän suuntaisesti tai sille vastakkaiseen suuntaan. (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 B0=1,5 T Koordinaatisto z B0 Mz M0 Mxy x (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 y Selityksiä • • • • M0 = nettomagnetoitumavektori Mz = z-akselin suuntainen komponentti Mxy = xy-tason komponentti B0 = staattisen magneettikentän suunta – Käytännössä tämä on putken suunta kuvauslaitteessa ! – xy-taso on ”aksiaalitaso” (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 Nettomagnetoituma • Syntyy nettomagnetoituma • Magnetoitumavektori pyörii zakselin ympäri • MRI-signaalia ei vielä havaita (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Radiotaajuusviritys (RF-viritys) RF-virityksellä magnetoitumavektori käännetään pyörimään xytasossa. Magnetoituma pyörii pitkin spiraalia kohti xy-tasoa (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 MR-mittauksen alkutilanne: • RF-virityksen loputtua vektori pyörii xy-tasossa. • Välittömästi virityksen loputtua alkaa vaikuttaa kaksi ilmiötä, T1 ja T2 relaksaatio (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Relaksaatioajat T1 ja T2 – T1-relaksaatio: Kuvaa sitä, kuinka nopeasti zakselin suuntainen komponentti Mz palautuu – T2-relaksaatio: Kuvaa sitä, kuinka nopeasti komponentti Mxy häviää eli kuinka nopeasti spinit epävaiheistuvat xy-tasossa – Nämä prosessit ovat riippumattomia toisistaan – T1 ~ sekunteja, T2 ~ millisekunteja (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 MRI:ssä mitattava signaali • Mitataan sähkömagneettiseen induktioon perustuva virta, kun magnetoitumavektori pyörii xy-tasossa. • Mitattavan virran suuruus riippuu vektorin projektion pituudesta vastaanotinkelan suunnassa (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Magneettikentän ja pyörimistaajuuden yhteys • Magnetoitumavektorin pyörimistaajuus w on suoraan verrannollinen tilavuusalkion kohdalla olevaan magneettikenttään B w=gB, missä g on ns. gyromagneettinen suhde (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Epävaiheistuminen I • Ihmiskudoksessa jo yhden tilavuusalkion eli vokselin sisällä on paljon erilaista kudosta. • Eri kohtaa vokselissa olevat spinit kokevat hieman erilaisen ulkoisen magneettikentän • Ne pyörivät hieman eri nopeuksilla (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Epävaiheistuminen II • ...pienemmässä kentässä olevat spinit jäävät jälkeen suuremmassa kentässä olevista • Xy-tason magnetoituma häviää • Ennen kuin se häviää kerätään signaali josta kuva syntyy (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Jäljessä Edellä T2-relaksaatio • Vokselin sisällä tapahtuvaa spinien epävaiheistumista sanotaan T2relaksaatioksi. • Sekä T1- että T2-relaksaatio alkaa vaikuttaa heti, kun RF-viritys loppuu. • T1-relaksaatioaika on 1,5 T kentässä sekunteja • T2-relaksaatioaika on millisekunteja (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Kuvan kontrasti • MAGNEETTIKUVAN KONTRASTI SYNTYY SIITÄ, ETTÄ ERI KUDOKSILLA ON TOISISTAAN POIKKEAVAT T1- ja T2RELAKSAATIOAJAT • Relaksaatioaikojen lisäksi kontrastiin vaikuttaa suhteellinen protonitiheys (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Tyypillisiä kudosparametrien arvoja 0,15 T kentässä Kudos PD Valkea aivoaine Harmaa aivoaine Veri CSF Tulehdus Benigni kasvain Infarkti Rasva Perifeerinen lihas Maksaparenkyymi Perna 1,0 0,9 1,0 1,2 1,0 1,0 1,0 0,8 1,0 1,0 1,0 T1 (ms) T2 (ms) 380 520 800 2000 650 650 650 170 250 250 550 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 85 95 150 1000 150 150 150 100 45 50 120 Kuvanmuodostus • Staattiseen B0-kenttään lisätään pieni, paikasta riippuva magneettikenttä • Jokaisessa kuvan vokselissa vaikuttaa hieman naapurivokselista poikkeava magneettikenttä • Spinin pyörimisnopeudet ovat jokaisessa vokselissa vähän erilaiset ! (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Muistin virkistämiseksi • Magnetoitumavektorin pyörimistaajuus w on verrannollinen vokselin kohdalla olevaan magneettikenttään B w=gB, missä g on ns. gyromagneettinen suhde • Kuvan muodostaminen perustuu siihen, että eri vokseleissa spinit pyörivät hieman eri taajuuksilla (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Kuvanmuodostuksen periaate • Yksinkertaisin tapa kerätä signaali: Jokaisesta vokselista saadaan ajan funktiona vaimeneva sinimuotoinen FIDsignaali • Signaalin taajuus riippuu siitä, missä kohtaa näytettä kyseinen vokseli on. • Eri kohdista näytettä tuleva signaali on hieman eri taajuinen. • Signaalin voimakkuus riippuu monimutkaisella tavalla tilavuusalkion kemiallisista ominaisuuksista, ei ainoastaan tiheydestä kuten rtg-kuvauksessa (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 Kokonaismagneettikenttä yhdessä suunnassa Suuri kenttä, Suuri taajuus Putken keskikohta Gradientti Pieni kenttä, pieni taajuus (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 B0 (vakio) END OF PART ONE ... (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 -2010