ZÁKLADY MR Mgr. Ing. Marek Dostál Ph.D. PROČ ZNAT ZÁKLADY MRI HISTORIE MR • 1921 - objev elektronového spinu (A. Compton). • 1924 - objev jaderného spinu (W. Pauli). • 1938 - potvrzení magnetického kvantového jevu (NMR) (LI. Rabi). • 1945 - vylepšení Rabiho přístroje (zrod NMR spektroskopie) (F. Bloch a E. Purcell). • 1949 - objev chemického posunu. • 1971 - různé tkáně mají různé relaxační doby (R. Damadian). • 1973 - počátky tomograficého MRI (P. Lauterbur). • 1977 - první celotělové MRI (R. Damadian). • 1987 - zrod MR angiografie (zobrazení toku krve). • 1992 - zrod funkční MRI (ÍMRI). MAGNETICKÉ POLE Homogenita mag. Pole Cívky Shields Shims Main Cryostat with liquid helium GE Signa 1.5T superconducting scanner Hitachi Aperto 0 4T permanent magnet scanner Hitachi Oasis 1.2T HFO superconducting scanner solenoid C-shaped permanent magnet V777777777777777777- Dipolar electromagnet design KONSTRUKCE Slitiny kovů (Fe77Nd15B8...) 1 ^™ B0 = 0,1-0,3T Výhody: • Nízká pořizovací cena • Nízké provozní náklady • Otevřený Nevýhody: • Hmotnost (15-70 tun) • Stabilita pole velmi citlivá na teplotu PERMANENTNÍ Elmag indukce B0 = 0,1-0,4T Výhody: • Nízká pořizovací cena • Nízká hmotnost • Otevřený a vypnutelný Nevýhody: • Velká spotřeba energie (-50 kW) • Stabilita pole velmi citlivá na teplotu • Elmag indukce + chlazení kapalným He • B0 = 0,5 - 7 T • Výhody: • Kvalita obrazu • Stabilita mag. pole • Nevýhody: • Pořizovací náklady • Nelze vypnout MAGNETICKÉ POLE Magnetický moment > Charakterizuje zdroj magnetického pole. > Vektorová veličina. Co to má společného s MR? MAGNETICKÉ POLE • Elektrony „obíhají" kolem jádra (analogie s cívkou). > Orbitální mag. moment (jiL) • Elektrony mají vnitřní moment hybnosti („rotace kolem osy"). > Spinový mag. moment (\is) • Nukleony mají vnitřní moment hybnosti („rotace kolem osy"). > Jaderný mag. Moment > https://periodictable.com/Isotopes/001.1/index.html MAGNETIZACE MAGNETIZACE • Důsledkem nenulové teploty (T > 0 K) se částice pohybují zcela • Orientace mag. momentů v silném vnějším statickém mag. poli. > Střelka kompasu E = hf MAGNETIZACE Atom Isotop fL [MHz] v B= IT Vodík 42,7 Uhlík 10,7 Dusík 14N 6,1 Fosfor 31 p 17,2 EMR MAGNETIZACE N, AE =yhB0 Velikost mag. pole Přebytek spinu na n\Z$\ energetické hladině RELAXACE RELAXACE Typ látky T\ [ms] T2 [ms] tuk 250 sval 900 50 krev 1400 100-200 Mozek šedá hmota (GM) 950 100 bílá hmota (WM) 600 80 cerebrospinální tekutina (CSF) 2000 SIGNÁL • Detekce signálu je založena na elektromagnetické indukci: • Mění-li se magnetický indukční tok cívkou, indukuje se v ní indukované elektromotorické napětí. • Pří změně magnetizace dochází ke změně magnetického indukčního toku a v detekčních cívkách se indukuje střídavý proud o Larmorově frekvenci. • Amplituda napětí je úměrná magnetizaci a tudíž i hustotě jader. • Volně detekovaný signál (Free Induction Decay FID) je periodická tlumená funkce. __t_ FID = M0cos(ú)0ť)e T2 SIGNÁL FOURIEROVA TRANSFORMACE • Na signál se aplikuje Fourierova transformace. • Co dělá Fourierova transformace? • Převádí signál z časové domény do frekvenční. 00 — 00 FOURIEROVA TRANSFORMACE /nAAA/WWv v i POZIČNÍ KÓDOVÁNÍ • Jak ovšem poznáme odkud přesně signál detekujeme? • Protože signál detekujeme z celé vyšetřované oblasti zároveň, je prostorová informace ve FID signálu ztracena. • Potřebujeme do signálu informaci o poloze zdroje signálu zahrnout uměle. • K tomu využíváme tři gradientní cívky. • Tyto gradientní cívky umístíme tak, aby produkovali v prostoru proměnné, ale časově konstantní magnetické pole. • Magnetická indukce tohoto poleje výrazně menší než vnějšího pole B0. • Proměnlivost (gradient) těchto polí určíme přesně pro potřeby daného experimentu (znalost gradientu v osách x, y, zje zásadní). RF amplitude transmitted RF banówidW Aco frequency ntenor /-axis RF carrier frequency 7-AWS Larmor equation applies here the image slice 1 í t 21.1 MHz Nižší ?1 3 MH? 21.4 MHz Vyssí Všechna jádra uvnitř zvolené tomoroviny precesují se stejnou frekvencí i fází. Gradient Z Gradient Bo + Gradient »MAJOS2011 Aco = y- Gz • Az Gr*dteot v Gradien B0 + Gradient + Gradient Bo + Gradient Gradient x PULSNI SEKVENCE Spatial frequency Vy=ky frequency Vx=kx k-space filled line by line 'Cartesian1 daia acquisition TV _1 _1 SPIN ECHO (SE) TjDiKay d- TE e T2 TE PD TR JEM. e T2 SPIN ECHO Fpin-ipncd inter^k^c (7?;. Spn-mfff hovi fntEra^e fT1) l-1-1-1-1-r 200 j£.u jiju Cas |n\=;] S~PD (l - e ™) TE e nje-72 SPIN CSF GM Tuk TE 8 8 8 TR 600 600 600 Tl 2000 520 180 T2 300 100 90 EXP(-TR/T1) 0,7408 0,315 0,0357 EXP(-TE/T2) 0,9737 0,923 0,9149 1-EXP(-TR/T1) 0,2592 0,685 0,9643 Součin 0,2524 0,632 0,8823 i VI - e TiJ e T2 CSF GM Tuk 120 120 120 6000 6000 6000 2000 520 180 300 100 90 EXP(-TR/T1) EXP(-TE/T2) 0,0498 1E-05 3E-15 0,6703 0,301 0,2636 1-EXP(-TR/T1) 0,9502 Součin 0,6369 0,301 0,2636 S~PD VI - e TiJe n CSF GM Tuk 8 8 8 6000 6000 6000 2000 520 180 300 100 90 EXP(-TR/T1) 0,0498 1E-05 3E-15 EXP(-TE/T2) 0,9737 0,923 0,9149 1-EXP(-TR/T1) 0,9502 0,9252 0,923 0,9149 SPIN ECHO PD CSF GM Tuk TE 120 120 120 TR 600 600 600 TI 2000 520 180 T2 300 100 90 EXP(-TR/T1) 0,7408 0,315 0,0357 EXP(-TE/T2) 0,6703 0,301 0,2636 1-EXP(-TR/T1) 0,2592 0,685 0,9643 Součin 0,1737 0,206 0,2542 SPIN ECHO RYCHLOST AKVIZICE TR Počet průměrování Počet řádků k-prostoru t = TR * #phase * NEX t(600ms, 256,1) = 0,6 * 256 * 1 = 153,65 t(4000,256,1) = 4 * 256 * 1 = 1024 s t(500, 512,4) = 0,5 * 512 * 4 = 1024 s TURBO SPIN ECHO RYCHLOST AKVIZICE TR, TF Počet průměrování Počet řádků k-prostoru Vysoký SAR t = TR * #phase * N EX / TF t(600ms, 256,1,4) = 0,6 * 256 * 1/4 = 385 t(4000,256,1,18) = 4 * 256 * 1 = 56,8 s t(500,512,4,4) = 0,5 * 512 * 4 = 256 s a < 90° = kratší TR GRADIENTNI ECHO Citlivé na nehomogenity Nižší SAR Rychlá akvizice 2 základní rodiny • Ne/koherentní GRE fife ■ KOHERENTNÍ GRE (FFE/GRE/FISP) Zachovává příčnou složku M_l Signál T2/T1 vážený Nízký kontrast tkání Proudící krev vysoký signál TOF MRA 1 - í • i KOH GRE (12 FFE/FSPGR/PSIF) Sekvence SE generována GRE Posloupnost a-pulzů a grad. TE > TR Nízký SNR Rychlé měření Extrémně citlivé na pohyb spinu ve frek. směru 3r 7" < 1 . /- V KOH GRE (MENSA/DESS) „Součet" FISP (GRE) a PSIF (SE) Unikátní kontrast Využití v MSK Chrupavka/tekutina/kost KOH GRE (MENSA/DESS) KOH GRE (FIESTA-C/CISS) KOH GRE (FIESTA-C/CISS) o KOH GRE (FIESTA/BFFE) • Vybalancovaná posloupnost všech GRE • Velmi rychlá • Méně citlivá k turbulencím • Extrémně citlivá na nehomogenity B0 (-1/TR) • Silnější pole = větší problém • Kardio • Rychlé zobrazení břicha KOH GRE (FIESTA/BFFE) NEKOH GRE (FSPGR/T1FFE) Nezachovává příčnou složku M_l Signál TI nebo T2* vážený Rychlá sekvence Detekce hemosiderinu/kalcifikací Kontrastní MRA T2* výrazne kratší nez T2 Velmi citlivá na mag. nehomogenity Suscept. art. se zvětšují s větším TE Vážení TE NEKOH GRE (FSPGR/Tl FFE) NEKOH GRE (FSPGR/T1FFE) a = 10 a = 30 a = 50° [H] and T2* Weighting More T1 Weighting NEKOH GRE (FSPGR/T1FFE) / 1 TR = 20 TR = 50 TR = 100 TR = 400 More T1 Weighting More [H] Weighting NEKOH GRE (FSPGR/Tl FFE) GRE NEKOH GRE (M-FFE/MERGE) NEKOH GRE (THRIVE/LAVA) TR a \ Spoiler TE Velmi krátké TR (-5 ms) a TE (-1ms) B Rychlý náběr dat (-15 s) h Generic Gradient Echo GRE GRE FFE GE FE RF-Spoiled GRE FLASH SPGR Tl-FFE RSSG Tl-FFE Coherent GRE with "FID" Refoeusing FISP GRASS FFE SARGE (SG) FE Coherent GRE with "Echo" Refoeusing PSIF SSFP T2-FFE TRSG SSFP Coherent GRE with Balanced "FID/Echo" Refoeusing True FISP FIESTA Balanced FFE BASG True SSFP Coherent Balanced GRE using Dual-excitation CISS FIESTA-C — PBSG — Coherent Double GRE using Combined "FIDs" & "Echoes" DESS MENSA — — — Spoiled GRE using Combined Multiple FIDs MEDIC MERGE M-FFE — — Ultrafast GRE TurboFLASH (2D) MP-RAGE (3D) Fast GRE BRAVO {3D) TFE 3D Tl-TFE RGE (2D) 3D-GEIR Fast FE Spoiled 3D GRE Variants VIBE FAME/LAVA THRIVE TIGRE 3D QUICK GRE Plus SE with Combined Signal TGSE — GRASE — Hybrid EPI MR BEZPEČNOST • Silné statické i dynamické mag. Pole • Dle FDA až do 8T pro dospělého bez rizika • Rychlá změny dB/dt => stimulace perif. Nervů nikoliv srd.svalu • Vysoko-frekvenční RF pulzy • Většina E přeměněna na teplo (kumulativní) • Specific Apsorption Rate (SAR, [W/kg]) • SAR < 4 W/kg => žádné zvýšení teploty • SAR < 6 W/kg => dobře tolerováno • Větší zvýšení T na povrchu • Hluk • Malý prostor MR BEZPEČNOST • Hluk • Roste s B0 a rychlostí gradientů • Různé metody redukce hluku • Může být problém u psychiatrických pacientů či těhotenství • Malý prostor • Lze potlačit otevřenou konstrukcí magnetu • Uzavřené magnety s větší gantry (70 cm) • Uklidnění pomocí léků či anestézie MR BEZPEČNOST Kovové implantáty • Dislokace feromagnetických díky B0 • Zahřívání el. vodivých díky RF a grad. pulzům • Feromagnetický materiál vždy absolutní kontraindikace • Neferomagnetické = artefakty v obraze • Některé implantáty lze použít pouze za určitých podmínek (B0, grad., SAR. MR BEZPEČNOST - KARDIO STIM • Pacient musí mít potvrzení s razítkem a podpisem ošetřujícího lékaře, že jeho kardiostimulátor (včetně elektrod) je MR kompatibilní. • Toto potvrzení nesmí být starší než 3 dny. Nestačí pouze průkazka o typu kardiostimulátoru. V případě nejasnosti je vždy nutné kontaktovat ošetřujícího lékaře, je možné zhotovit RTG snímek hrudníku, které však musí indikovat ošetřující lékař. • Součásti potvrzení musí být informace, že kardiostimulátor je nastaven v MR kompatibilním modu. S výhodou je přímo výtisk z kalibrace přístroje. Toto potvrzení nesmí být starší než 24 hodin. • Součástí potvrzení musí být vyjádření ošetřujícího lékaře, že pacient nemá žádné další implantáty, které by byly kontraindikací k MR vyšetření. Zvláště například ponechané elektrody apod. • Na MR pracovišti musí být informace o podmínkách pro MR vyšetření u těchto pacientů pro jednotlivé typy stimulátoru (např. nutnost centrace mimo hrudník atd.). • Buď si je pacient přinese s sebou nebo již musí být na pracovišti k dispozici. • Při měření musí být pacient monitorován pomocí EKG. POTLAČENÍ/ZESÍLENÍ SIGNÁLU • Potlačení tuku • FatSat • STIR • SPAIR • Potlačení vody • FLAIR/DIR • Magnetizační transfer • Separace tuku a vody - Dixon • Zesílení vody (water excitation) • Multi-echo • Multi-fat peak korekce •BO korekce • T2* mapování • Tuková frakce DIXON KVANTIFIKACE Liver Fat-fraction: 2% Liver Fatfractk>n: 22% DIFUSNÍ ZOBRAZENÍ • Difúze může být orientována stejně jako difúzní gradienty • Min 6 směrů grad. • Výpočet tenzoru • Charakterizace elipsoidem • Pro přesnější odhad > 16 směrů average length of streamlines in every voxel colour denotes reduction in streamline length small injury causes reduction in streamline length along entire tract kontrastní latky Přirozené KL • Vysoký obsah Mn (ananasový džus) Ananas I Silnět- kontrastní latky Paramagnetická KL • Nezobrazuje se samotná látka • Výrazně mění T\ čas ve svém okolí (Relaxivita) • Oxid dusičný • Stabilní volné radikály • Kationty kovů (Ni2+, Fe2+, Gd3+) • Relaxivita ~ koncentrace, mag.moment, vzdálenost, nepár.e" kontrastní latky Paramagnetická KL • El. Konfigurace • Fe2656 [Ar] 4s23d6 - 4 volné e" • Gd64158 [Xe] 6sHf5ál - 8 volných e" • Nutnost stabilně navázat na organické látky (toxicita těžkých kovů) • Cheláty - koordinační vazby • Např. Dotarem »!^^HH^HH5^^^^| KONTRASTNÍ LÁTKY • Stabilita MR kontrastní látky • Myšleno uvolňování Gd z nosiče • Lineární chemická stavba • Gadoversetamid (Optimark), Gadodiamid (Omniscan), Gd-DTPA (Magnevist), Gadobenát (MultiHance) • Cyklická chemická stavba • Gadobutrol (Gadovist), Gadoteridol (ProHance), Gd-DOTA (Dotarem), Gd-DOTA (Clariscan) • Ne/ionická stavba KONTRASTNÍ LÁTKY • Stabilita MR kontrastní látky • významné rozdíly mezi ionickými a neionickými lineárními cheláty • zásadní rozdíly mezi lineárními a makrocyklickými cheláty • nejsou rozdíly mezi makrocyklickými cheláty • Gadovist, Dotarem, Prohance nevykazovaly disociaci ani po 15 dnech (< 0.1%) lamic Stability ^8 "<«,,* (at pH 7.4) at25*C 1 Dotarem* (gadoterate meglumine) Macrocyclic ionic 25.6 19.3 338 hr Gadavist* (gadobutrol) Macrocyclic non-ionic 21.8 14.7 43 hr ProHance* (gadoteridol) Macrocyclic non-ionic 23.8 17.1 3.9 hr MultiHance* (gadobenate dimeglumine) Linear ionic 22.6 18.4 <5s Magnevist" (gadopentetate dimeglumine) Linear ionic 22.1 17.7 <5s Omniscarť" (gadodiamide) Linear non-ionic 16.9 14.9 „přetečení" \ Artefakty pulzace/turbulence MRA - KONTRASTNÍ • Princip: • Když TR « T\ => nízký signál • Přítomnost KL = zkácení Tx = vyšší signál • Cím víc KL, tím větší zkrácení • Optimalizace množství • Optimalizace rychlosti aplikace • Optimalizace TE, TR, a • Včasné spuštění měření • Vhodná volba náběru dat • Využití paralelních technik MRA-CE Rychlá sekvence (3D GRE) Min TE i TR (-1 resp. ~4 ms) Vhodné prostorové rozlišení dané cévy Vhodný objem měření Oboje výše ovlivní časové rozlišení Optimální a (>Ernstův úhel) • Tj krve 50 - 150 ms dle koncentrace KL ■ES I MRA -CE ČASOVÁNÍ Bolus • Aplikace ~2ml KL • Měření času přítoku • Poté zbytek KL a měření Výhody • Přesné stanovení začátku měření Nevýhody • Část KL nevyužit • Delší měření • Kontaminace pozadí KL MRA-CE ČASOVANÍ Fluoro trigering/BolusTrak • Rychlé snímání tepny • Při příchodu KL start měření Výhody • Využití veškeré KL • Semi/automatická Nevýhody • Složitější metoda pro RA MRA-CE ČASOVÁNÍ Kontinuální snímání • TRICKS/4D-TRAK • Snímání zapnuto před podáním KL • Průběžná tvorba obrazu při průchodu KL • Kompromis prost, a čas. rozlišení Výhody: • Netřeba časovat • Možnost zobrazení optimální fáze • Pokročilý náběr dat = možnost zlepšit čas. roz. Nevýhody: • Nutnost kompromisu čas. a prost, rozlišení • Max. gradienty => větší stimul, perif. nervů • Při větším Bq • Roste S/Š • Roste Tí čas • Roste SAR (ERF~B02!!!) • Roste efekt susceptibility • Roste hluk • Roste cena • Klesá homogenita obrazu • Klesá T2* čas • Prostorová informace • Parametry: • Max. amplituda (20 - 80 mT/m) • Slew rate (80 - 200 mT/m/ms) • Linearita • Amplituda ~ Prost, rozliš • Slew rate ~ TEmin, TRmin... Korekce nehomogenity mag. pole Pasivní/aktivní Minimalizace geometrického zkreslení Maximalizace signálu díky ideální Larmor. frekvence Lepší FatSat, MRS, EPI, fMRI... shim Unwanted harmonie in field Improved homogeneity Vysílací vs přijímací Celotělová • T/R, horší S/Š Povrchová • Blíž k tělu => lepší S/Š • Dedikované dle ant. oblasti Více-segmentová • Více cívek v jednom bloku • Pokrytí větších oblastí • Umožňují pokročilé techniky • Větší nehomogenita signálu RF CÍVKY • Nehomogenita B0 • Spatně seřízený stroj • Kovový předmět • Rozdíl susceptibilit ARTEFAKTY ARTEFAKTY Nehomogenita B x • Lokální nepřesnot úhlu RF pulzu • Nehomogenita přijímaného signálu (povrch cívky) 1 kanálová D n ■f K A v ä] ^^^^^^^^^^^^^^^ Multi-kanálová 20 40 60 80 Signal-to-Noise Ratio 100 120 ARTEFAKTY • Nehomogenita Bx • Dielektrický jev • Vlnová délka v těle ~ 25 cm (3 T) Conventional Multi Phase Transmit Non-uniform Standing Uniform image RF source FLAIR 7T ARTEFAKTY ARTEFAKTY Nedokonalost gradientů • Geometrická distorze ARTEFAKTY Možnosti potlačení pohybu • Náběr se zadrženým dechem • Náběr synchronizován s dechovou křivkou • Náběr synchronizován s pohybem bránice • Náběr synchronizován s EKG • Změna typu náběru dat (Propeller/MultiVane) ARTEFAKTY Možnosti potlačení toku • Přidání gradientního pulzu 3 RF-pulse and echo Standard readout gradient Readout gradient with extra GMN lobes Net phase gain for moving spins • Možnosti potlačení toku • Prostorová saturace ARTEFAKTY ARTEFAKTY Výpadek řádku signálu Řádek O Řádek 10 Řádek 40 ARTEFAKTY Výpadek více bodů signálu (jiskření) 15 jisker 5 jisker 35 jisker ARTEFAKTY • Chemický posun - zvýšení BW = snížení posunu ARTEFAKTY Částečný objem => zmenšit voxel ARTEFAKTY Překlopení • Větší FOV • Změna FK • NPW Phase Encoding- |Mismapped as +270° Mismapped as +90° image with phase wrap-around artifact ARTEFAKTY Překlopení vs SENSE