1 / 73

KAPITEL 6

KAPITEL 6. TEMA. KAPITEL 6 har som tema bilde-kontrast og bilde-signal-støy- forhold. Innledningsvis blir steady state uttrykket ved TE for de vanligste pulssekvensene presentert. Deretter introduseres Bloembergen-Pound-Purcell (BPP) teorien

taniel
Download Presentation

KAPITEL 6

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. KAPITEL 6 TEMA KAPITEL 6 har som tema bilde-kontrast og bilde-signal-støy- forhold. Innledningsvis blir steady state uttrykket ved TE for de vanligste pulssekvensene presentert. Deretter introduseres Bloembergen-Pound-Purcell (BPP) teorien for relaksasjon i homogen materie. I denne sammenheng blir kontrast mekanismen ”Magnetization Transfer” diskutert. I tillegg gis det forklaring på hvordan MRI kontrastmidler fungerer. Til slutt blir bilde-SNR gjennomgått, men mindre detaljert enn i læreboken. UIO Fys-Kjm 4740

  2. KAPITEL 6 Kontrast i bildet defineres som signalforskjellen mellom to områder som ligger kant i kant. For øyet trengs 15-20% signalforskjell for å kunne skille to områder fra hver-andre, men ved å gjøre ROI målinger kan vi skille områder med langt likere signalintensitet. Ved å bruke steady state løsningen på Bloch’s likning for de ulike pulssekvensene kan vi i tillegg bestemme signal verdien i de ulike vevene som funksjon av scan parametre som TR, TE og FA. Dette kan hjelpe oss med å finne opti- mal kontrast mellom to vev. UIO Fys-Kjm 4740

  3. ] [ C + D E2 sinα (1 – E1) - E2 ( D2 - C2) 1/2 C KAPITEL 6 Steady state uttrykk for en del pulssekvenser ved TE. SE: MT(TE) = M0{1 – 2 eksp(-(2TR – TE)/2T1)) + eksp(-TR/T1)}eksp(-TE /T2) TSE: MT(TE) = M0{1 – 2 eksp(-(2TR – TEeff)/2T1)) + eksp(-TR/T1)}eksp(-TEeff /T2) GE: MT(TE) = M0{1 – eksp(-(TR/T1))}eksp(-TE /T2*) , α=90° EPI: MT(TE) = M0{1 – eksp(-(TR/T1))}eksp(-TEeff /T2*) , α=90° FFE: MT(TE) = M0 eksp(-TE /T2*) T2FFE: MT(TE) = M0 1 -eksp(-TE /T2*) T1FFE: MT(TE) = M0 eksp(-TE /T2*) E2 = eksp(-TR/ T2*) E1 = eksp(-TR/ T1) C = E2(E1 – 1)(1 – cosα) D = (1 – E1 cosα) – (E1 – cosα)E2) 2 [ ] sinα (1 – E1) E2 C + D E2 - E2 ( D2 - C2) 1/2 C sinα (1 – E1) 1 – E1 cosα UIO Fys-Kjm 4740

  4. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Statisk dipol-dipol interaksjon i hoved magnet feltet Tenker vi oss en statisk dipol-dipol vil protonenes interne vekselvirkning medføre variasjoner i det lokale mag- netiske feltet (± 10 μT). Dette betyr at de to protonene vil være 180° ute av fase med hverandre i løpet 11μs. I praksis eksisterer ikke en perfekt statisk situasjon, det nærmeste vi kommer i kroppen er bein, som har en for kort T2 relaksasjons tid til at den kan måles med dagens gradient systemer. B0 O H H H UIO Fys-Kjm 4740

  5. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet P.g.a. termisk energi, vil man aldri ha en statisk dipol-dipol situasjon. Den termiske energien medfører både vibrasjons og rotasjons bevegelse av vannprotonene. I en slik situasjon midles det magnetiske feltet forårsaket av dipol-dipol vekselvirkninger, og spinnenes defase tid (T2) blir betydelig lenger (i vann flere sekunder). Vevs T2 tider er betydelig kortere enn vann (noen titals millisekund). Dette skyldes at det i vev også finnes ekstra magnetfelt omkring store makromolekyl og disse feltene påvirker relaksasjonshastigheten. UIO Fys-Kjm 4740

  6. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet Termisk bevegelse karakteriseres ved hjelp av en korrelasjonstid,τc, som er et uttrykk for hvor lang tid en molekylær situasjon vedvarer. Typiske verdier er: Vesker: ~10-12 sek. Viskøse vesker: ~10-9 sek. Fast stoff: ~10-5 sek. Frekvens spekter for termiske bevegelser N(ω) Faste stoffer viskøse vesker vesker ωcvv ωcv ω ω0 ωcfs ω = 1/τ UIO Fys-Kjm 4740

  7. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet Roterende/oscillerende magnetiske felt med frekvens ω0, kan eksitere og deeksitere spinn avhengig av spinnets fase i relasjon til fasen til det ytre varierende feltet. Ved deeksitasjon (fra anti parallell til parallell tilstand) oppgis energi i form av varme. Frekvens spekter for termiske bevegelser N(ω) Faste stoffer viskøse vesker vesker ωcvv ωcv ω ω0 ωcfs Spinn påvirket av T1 relaksasjon UIO Fys-Kjm 4740

  8. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet For faste stoffer har de fleste spinn relativ kort korrelasjonstid. Men for bare en prosentvis liten del av protonene finner vi å ha frekvenser omkring ω0, noe som betyr lang T1-tid for slikt vev. N(ω) Faste stoffer ω0 ω Spinn påvirket av T1 relaksasjon UIO Fys-Kjm 4740

  9. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet For viskøse vesker finner vi en prosentvis større del av protonene med frekvens omkring ω0. Dette med- fører kortere T1-tider. N(ω) viskøse vesker ωcvv ω ω0 Spinn påvirket av T1 relaksasjon UIO Fys-Kjm 4740

  10. T1 faste stoffer vesker τc KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet For vesker har kun en liten prosentdel av spinnene frekvens i resonansområdet. Dette betyr lang T1-tid. N(ω) vesker ωcv ω ω0 Spinn påvirket av T1 relaksasjon UIO Fys-Kjm 4740

  11. KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet T2 –tiden er nærmest omvendt proporsjonal med korrelasjonstiden. T2 faste stoffer vesker τc UIO Fys-Kjm 4740

  12. KAPITEL 6 KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet • Fra et MRI synspunkt, kan vev sees på som 60-80% vann ispedt • makromolekyler. Vann har ulike former: • Fritt vann • Vann bundet til makromolekyler med enkel binding, som muliggjør • rotasjon av vannmolekylet. • Vann bundet til makromolekyler med dobbel binding, som forhindrer • rotasjon av vannmolekylet. UIO Fys-Kjm 4740

  13. KAPITEL 6 KAPITEL 6 BPP relaksasjons teorien i homogen materie Dynamisk dipol-dipol interaksjon i hovedmagnet feltet • Ut fra disse tre formene kan man beskrive tre vannfraksjoner: • Fraksjonen fw av fritt vann som relaksasjons raten 1/T1w. • Fraksjonen fr av vann bundet til makromolekyler som har rotasjonsmulighet. • Relaksasjons raten er gitt som 1/T1r. • Fraksjonen fr av vann bundet til makromolekyler som har ingen rotasjons- • mulighet. Relaksasjons raten er gitt som 1/T1ir. • P.g.a termisk energi har vannmolekylene stadige skifter mellom disse tilstandene. • Læreboken kaller denne stadige forandringen til vann molekylet for ”fast exchange”. • Effektiv relaksasjonsrate: 1/T1 = fw1/T1w + fr1/T1r + fir1/T1ir , T1w >> T1r > T1ir UIO Fys-Kjm 4740

  14. H H H H H H H H H H H H O O O O O O MTC H R H Bundne protoner Frie protoner UIO Fys-Kjm 4740

  15. Bundne protoner Frie protoner MTC Δf f0 • Fritt vann har båndbredde på ca 20 Hz • Bundne protoner kan ha en båndbredde på flere kHz UIO Fys-Kjm 4740

  16. Off-resonance puls Bundne protoner Fritt protoner MTC Δ  0 • MT kontrast oppnås ved å anvende en off-resonance puls • Denne pulsen er typisk 1-1.5kHz forskjellig fra 0 UIO Fys-Kjm 4740

  17. Mbp=0 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H O O O O O O MTC Mfp Mbp H R H Bundne protoner Frie protoner UIO Fys-Kjm 4740

  18. KAPITEL 6 KAPITEL 6 Magnetization transfer contrast (MTC) Magnetization transfer foregår etter følgende ”oppskrift”: 1. Fritt vann og bundet vann er i stadig utveksling med hverandre. Det frie vannet har en longitudinal magnetisering komponent. 2. Deler av denne longitudinale magnetiseringen blir overført til bunden tilstand. 3. Spinnene i bunden tilstand kan ikke bli målt p.g.a for kort T2. 4. Den bundne vannfraksjon inneholder et stort frekvensspekter (se formel 6.5). 5. Vi kan eksitere de bundne vannmolekylene ved å velge eksitasjonsfrekvenser ≠ ω0 (kalt ”off resonance MTC puls). 6. Dette genererer transversal magnetisering som raskt tapes p.g.a kort T2. 7. Disse protonene returnerer til det frie vannet, men de har ingen longitudinal komponent. 8. Når en ω0-puls anvendes vil den longitudinale komponenten være redusert og vevet blir gjengitt mørkere enn dersom en MTC puls ikke ble anvendt. MTC puls Standard pulssekvens UIO Fys-Kjm 4740

  19. KAPITEL 6 Magnetization transfer contrast (MTC) Signalsvekking p.g.a MTC effekt: Fett, beinmarg, CSF, galle, in vivo blod < 5% Hud 80% Brusk 70-75% Skjelett muskel 60-80% Hjerte muskel 50-70% Hvit hjerne substans 42-69% Grå hjerne substans 39-52% Lever 35-40% Nyrer 25-35% In vitro blod 15-25% UIO Fys-Kjm 4740

  20. m/MTC u/MTC KAPITEL 6 Magnetization transfer contrast (MTC) UIO Fys-Kjm 4740

  21. KAPITEL 6 Kontrastmidler I MRI fungerer kontrastmidlene ved at de forandrer vevets T1 og T2/T2* tider. Dette er en indirekte effekt og ikke en direkte effekt som vi kjenner fra bruk av røntgenkontrastmidler (jod, barium). (I røntgendiagnostikk vil kontrastmiddelet, p.g.a høyere elektrontetthet, absorbere mer røntgenstråler enn vevet omkring.) UIO Fys-Kjm 4740

  22. KAPITEL 6 Kontrastmidler T1 effekt: Termisk bevegelse forårsaker vekselvirkning mellom frie spinn og spinn bundet til makromolekyler. De varierende/ oscillerende magnetfeltene som de bevegelige spinnene forår- saker, medfører T1 relaksasjon (når oscillasjonsfrekvensen er lik ω0). Kontrastmiddelet fører til økt oscillasjons i de lokale magnetfeltene. Dette medfører at flere spinn (pr. tidsenhet) opplever å vibrere med ω0, og dermed forandre fase (spinn opp, spinn ned) . I praksis betyr dette økt relaksasjonsrate (1/T1) og dermed en forkortning av vevets T1-tid. UIO Fys-Kjm 4740

  23. KAPITEL 6 Kontrastmidler T2 effekt: Kjernene som anvendes som kontrastmidler i MRI er paramagnetiske, superparamagnetiske eller ferromagnetiske. Dette betyr at forårsaker store lokale magnetfelt forandringer, noe som igjen medfører raske frekvensvariasjoner for de protonene som vekselvirker med de paramagnetiske kjernene. Som resultat får vi en rask fasedispersjon og dermed tap av signal (T2* effekt). UIO Fys-Kjm 4740

  24. KAPITEL 6 Kontrastmidler • De vanligste kontrastmidlene er alle paramagnetiske. Eksempler • på disse kjernene er Fe3+, Mn2+og Gd3+. Klinisk brukes kontrast- • midler til å: • Bedre synliggjøre svulster • Se graden av betennelse • Fremstille blodårer (kontrastforsterket angiografi) • Kontrollere effekten av blokking • Deleniere anatomi og bedre fremstille leddpatologi (artrografi). • Synliggjøre organfunksjon UIO Fys-Kjm 4740

  25. KAPITEL 6 Kontrastmidler • Det er to hovedgrunner til at de paramagnetiske stoffene fungere • som MRI kontrastmidler: • De uparede elektronene forårsaker meget kraftige lokale magnet- • felt (elektronets magnetfelt er 657 ganger sterkere enn proton • spinnets magnetfelt). • Stoffenes høye giftighet er skjermet ved hjelp av chelater, • eksempelvis diethylen triamine pentaacetic acid (DTPA). UIO Fys-Kjm 4740

  26. KAPITEL 6 Kontrastmidler Effekten av et kontrast middel på T1 og T2 relaksitivitet (1/T1 og 1/T2) er gitt som: 1/T1 (observert) = 1/T1 + R1 • C 1/T2 (observert) = 1/T2 + R2 • C ,R1 & R2 er konstanter C er kontrastmiddel konsentrasjon eks.: R1 (Gd DTPA) = 4,5ms –1(mmol/kg) –1 UIO Fys-Kjm 4740

  27. KAPITEL 6 Kontrastmidler For å få frem effekten av kontrastmidler brukes: T1: T1 vektet SE/TSE sekvenser og T1 FFE med kort ekko tid. T2*: Gradient ekko sekvenser med lang ekko tid (> 15ms). UIO Fys-Kjm 4740

  28. KAPITEL 6 SNR • Læreboken har en seksjon som inngående tar for seg parametere • som påvirker bildets signal støy forhold. Vi begrenser oss til å • remse opp de fleste av disse: • TR/TE/TI/FA • De ulike kontrastparametrene (T1, T2, rho, MTC, kntr.midl. etc ….min 16 stk) • Ekko variant (GE eller SE) • Antall målinger (NSA) • Snittykkelse • Antall k-linjer • Sampling båndbredde • Pikselstørrelse • Spoletype • Styrke på hovedfelt • Elektronikk støy UIO Fys-Kjm 4740

  29. KAPITEL 6 Fett suppresjon • Bruken av fettundretrykking er svært vanlig i MR. Dette gjøres • av fire hovedårsaker: • For å redusere bevegelseartefakt. • For tydeligere fremstilling av patologi • For se om en lesjon er fettholdig (øke undersøkelsens spesifisitet) • For å forandre bildets dynamiske gråtoneområde. UIO Fys-Kjm 4740

  30. KAPITEL 6 Fett suppresjon • Vi har fire metoder for å frembringe fettundertrykking: • Bruk av Inversion Recovery sekvens med TI tid tilpasset tids- • punktet for når fettsignalet er null (STIR). • Bruk av fettselektiv prepuls med frekvens tilpasset resonans • frekvensens til fett (SPIR). • Bruk av binominale prepulser. • Valg av gradient ekko tid på et tidspunkt når vann og fett er • 180 grader ut av fase (eks TE=2.3ms for 1.5Tesla). UIO Fys-Kjm 4740

  31. ProSet, binomial 1 1 pulse RF time Bo UIO Fys-Kjm 4740

  32. RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  33. RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse 45° UIO Fys-Kjm 4740

  34. RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse 45 UIO Fys-Kjm 4740

  35. RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse 45° UIO Fys-Kjm 4740

  36. RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse 45° UIO Fys-Kjm 4740

  37. RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse 45° UIO Fys-Kjm 4740

  38. t = 1/2*f RF time Bo ProSet, binomial 1 1 pulse 45° UIO Fys-Kjm 4740

  39. t = 1/2*f RF time Bo ProSet: Water only 45° 45° UIO Fys-Kjm 4740

  40. RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  41. 45° RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  42. 45° RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  43. 45° RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  44. 45° RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  45. 45° RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  46. 45° t = 1/2*f RF time Bo ProSet, binomial 1 -1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  47. t = 1/2*f RF time Bo ProSet: Fat only 45° Binomial pulse: 11 -45° UIO Fys-Kjm 4740

  48. RF time Bo ProSet, binomial 1 2 1 pulse UIO Fys-Kjm 4740

  49. RF time Bo ProSet, binomial 1 2 1 pulse 22.5° UIO Fys-Kjm 4740

  50. RF time Bo ProSet, binomial 1 2 1 pulse 22.5° UIO Fys-Kjm 4740

More Related