Medical Imaging 10 2009.04.07. 1. Mágneses rezonancia (MR, MRI, NMR) x B. Makroszkopikus tárgyalás



Hasonló dokumentumok
Biomolekuláris szerkezeti dinamika

CT/MRI képalkotás alapjai. Prof. Bogner Péter

Times, október 9 MRI

Mágneses rezonanciás képalkotás AZ MRI elve, fizikai alapok

M N. a. Spin = saját impulzus momentum vektor: L L nagysága:

Elektromágneses módszerek geofizikai-földtani alkalmazásai. Pethő Gábor (Miskolci Egyetem)

Dóczy-Bodnár Andrea október 3. Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

MRI áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 3. ea ősz

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Rádióspektroszkópiai módszerek

A MÁGNESES REZONANCIA LEKÉPEZÉS (MRI) HASZNÁLATA TERMÉNYEK HŐFIZIKAI VIZSGÁLATAINÁL KOVÁCS, A. J.

Feladatok GEFIT021B. 3 km

Alkalmazott spektroszkópia Serra Bendegúz és Bányai István

Az Orvosi Fizika Szigorlat menete a 2012/2. tanévtől

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

ESR színképek értékelése és molekulaszerkezeti értelmezése

MSK szekvenciák, protokolok MSK MR műtermékek

NMR, MRI. Magnetic Resonance Imaging. Times, október 9 MRI

lásd: enantiotóp, diasztereotóp

Az optikai jelátvitel alapjai. A fény két természete, terjedése

24/04/ Röntgenabszorpciós CT

Nyugat-magyarországi Egyetem Geoinformatikai Kara. Csordásné Marton Melinda. Fizikai példatár 4. FIZ4 modul. Elektromosságtan

Versenyző kódja: 43 15/2008. (VIII. 13.) SZMM rendelet MAGYAR KERESKEDELMI ÉS IPARKAMARA

What is NMR? Signal from the object itself

Atommagok mágneses momentumának mérése

= szinkronozó nyomatékkal egyenlő.

4. Mérés Szinkron Generátor

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

Nyers adat - Fourier transformáció FFT

Magmágneses rezonancia. alapjai. Magmágneses rezonanciához kapcsolódó Nobel-díjak. γ N = = giromágneses hányados. v v

mágnes mágnesesség irányt Föld északi déli pólus mágneses megosztás influencia mágneses töltés

NEM A MEGADOTT FORMÁBAN ELKÉSZÍTETT DOLGOZATRA 0 PONTOT ADUNK!

Az NMR képalkotás alapjai. Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK

MR képalkotás alapjai - bevezető. PTE Radiológiai Klinika Pécsi Diagnosztikai Központ 2017

Biofizika és orvostechnika alapjai

Az MR(I) módszer elve. Az MR(I) módszer. (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging mag (atommag) mágneses rezonancia alapu képalkotó módszer

Lizozim fehérje vizsgálata NMR-spektroszkópiával

Nagy Sándor: Magkémia

Tevékenység: Olvassa el a fejezetet! Gyűjtse ki és jegyezze meg a ragasztás előnyeit és a hátrányait! VIDEO (A ragasztás ereje)

Elektromágneses módszerek

Elektromágneses terek 2011/12/1 félév. Készítette: Mucsi Dénes (HTUCA0)

BIOFIZIKA. Metodika- 4. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

MR berendezés és tartozékainak szállítása, telepítése, üzembe helyezése és kapcsolódó járulékos munkák elvégzése (RF)

A nehézfémek növényi vízháztartásra gyakorolt hatásának vizsgálata Mágneses Rezonancia készülékkel. Készítette: Jakusch Pál Környezettudós

6. RADIOAKTIVITÁS ÉS GEOTERMIKA

A médiatechnológia alapjai

Kvantitatív Mágneses Rezonanciás Képalkotás a kutatásban és az alkalmazott klinikai gyakorlatban. Ph.D. tézis. Dr. Aradi Mihály

Mágneses alapjelenségek

Feladatok a koordináta-geometria, egyenesek témaköréhez 11. osztály, középszint

Az MR(I) módszer elve. Dr.Fidy Judit 2012 március 7

1. Ha két közeg határfelületén nem folyik vezetési áram, a mágneses térerősség vektorának a(z). komponense folytonos.

FIZIKA Tananyag a tehetséges gyerekek oktatásához

A továbbhaladás feltételei fizikából és matematikából

A kvantumfolyadékok csodái a szuperfolyékony hélium Sasvári László ELTE Fizikai Intézet Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

FIZIKA MECHANIKA MŰSZAKI MECHANIKA STATIKA DINAMIKA BEVEZETÉS A STATIKA HELYE A TUDOMÁNYBAN


KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

Fizika belépő kérdések /Földtudományi alapszak I. Évfolyam II. félév/

A FIZIKA KÖZÉPSZINTŰ SZÓBELI ÉRETTSÉGI VIZSGA TÉTELEINEK TÉMAKÖREI MÁJUSI VIZSGAIDŐSZAK

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

MRI m ködése és képalkotása

az elektromosság orvosi alkalmazásai

L Ph 1. Az Egyenlítő fölötti közelítőleg homogén földi mágneses térben a proton (a mágneses indukció

Aspektus könyvekben gyakran használt újszerű megfogalmazások szójegyzéke

Következõ: Lineáris rendszerek jellemzõi és vizsgálatuk. Jelfeldolgozás. Lineáris rendszerek jellemzõi és vizsgálatuk

FIZIKA PRÓBAÉRETTSÉGI EMELT SZINT. 240 perc

Mössbauer Spektroszkópia

Morfológiai képalkotó eljárások CT, MRI, PET

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

Lineáris algebrai módszerek a kombinatorikában

Reológia Nagy, Roland, Pannon Egyetem

Természettudományi Kutatóközpont, Magyar Tudományos Akadémia (MTA-TTK) Agyi Képalkotó Központ (AKK)

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

A magkémia alapjai. Magpotenciálok, magspin, mágneses momentumok & kölcsönhatások. Nagy Sándor ELTE, Kémiai Intézet

Méréssel kapcsolt 3. számpélda

Alkalmazott fizika Babák, György

Nyomástartóedény-gépész Kőolaj- és vegyipari géprendszer üzemeltetője

FAIPARI ALAPISMERETEK

Körmozgás és forgómozgás (Vázlat)

Póda László Urbán János: Fizika 10. Emelt szintű képzéshez c. tankönyv (NT-17235) feladatainak megoldása

A TételWiki wikiből. Tekintsük a következő Hamilton-operátorral jellemezhető rendszert:

Mágneses módszerek a mőszeres analitikában

2. OPTIKA 2.1. Elmélet Geometriai optika

ebben R a hajó ellenállása, H vontató esetén a kifejtendő kötél-vonóerő, t a hajó szokásos értelmezésű szívási tényezője,

2-17. ábra ábra. Analízis 1. r x = = R = (3)

töltéssel rendelkező vagy semleges részecskék kinetikus energiája és (vagy) impulzusa a kondenzált közegek atomjaival ütközve megváltozhat.

A 10/2007 (II. 27.) 1/2006 (II. 17.) OM

1. Prefix jelentések. 2. Mi alapján definiáljuk az 1 másodpercet? 3. Mi alapján definiáljuk az 1 métert? 4. Mi a tömegegység definíciója?

Szerves vegyületek szerkezetfelderítése NMR spektroszkópia

palkotás alapjai Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK

Biofizika tesztkérdések

OSZTÁLYOZÓ VIZSGA TÉMAKÖREI

XXV. ELEKTROMOS VEZETÉS SZILÁRD TESTEKBEN

Fogalmi alapok Mérlegegyenletek

Fizika 2. Feladatsor

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

MÉRÉSTECHNIKA I. Laboratóriumi mérések

Átírás:

Mágneses rezonancia (MR, MRI, NMR) Bloch, Purcell 1946, Nobel díj 1952. Mágneses momentum + - Mágneses térben a mágneses momentum az erővonalakkal csak meghatározott szöget zárhat be. Különböző irányokhoz pl. párhuzamos és antipárhuzamos különböző energia szint tartozik. erős mágneses tér relaxáció equilibrium spin (kvantum mechanika) Protonok és Neutronok száma páros: 0 spin ( 4 He, 12 C, = 0), P és N száma páratlan: egész spin ( 2 H: 1, 10 B: 3, ), P + N páratlan: egész + fél spin ( 1 H, 15 N: 1/2, 17 O: 5/2). Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 1 (gerjesztés) rádió hullám rádió hullám Föld mágnesesség: egyenlítőn 0.3 G a sarkokon 0.7 G MR: 1 15 KG = 0.1 1.5 T 1 T (Tesla) = 10 4 G (Gauss) Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 2 Szoba hőmérsékleten a párhuzamos spinű tracer (proton) relatív többlete kb. 10 6 nagyságrendű (Boltzmann statisztika). z D É D É D D É É párhuzamos alacsony energia szint antipárhuzamos magas energia szint A két energia szint különbsége E. E = h γ B h a Planck féle állandó γ a giromágneses együttható B a mágneses térerősség γ = impulzus momentum / mágneses momentum Larmor frekvencia: ν = γ B, 1 H esetén 42.58 MHz / T. y x B Larmor frekvencia: ν = γ B, 1 H esetén 42.58 MHz / T. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 3 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 4 Makroszkopikus tárgyalás Spin csomag: egy kis térrészben lévő spin-ek összessége. Mágnesezettségi vektor: a spin csomagban lévő spin-ek által képviselt eredő mágneses momentum. x z M 0 y Mutasson a mágneses tér a z tengely irányába, ekkor nyugalmi állapotban a mágnesezettségi vektor (M 0 ) a z tengely irányába mutat. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 5 x z M 0 α y Larmor frekvenciájú rádió hullámmal forgatónyomatékot tudunk gyakorolni a mágnesezettségi vektorra, ennek hatására a mágnesezettségi vektor elfordul. Az elfordulás a rádió hullámok terjedési irányára merőleges síkban történik, az elfordulás szöge arányos a rádió hullám amplitúdójával és a kibocsátás idejével (RF pulzus). RFα: a mágnesezettségi vektort α-val forgató pulzus. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 6 Medical Imaging 10 2009.04.07. 1

Megfelelő pulzus alkalmazásával elérhető, hogy a mágnesezettségi vektor z komponense 0 () vagy M 0 (RF180) legyen. A rendszert magára hagyva a mágnesezettségi vektor fokozatosan visszatér az eredeti állapotába: esetén M z = M 0 (1 e t / T1 ) RF180 esetén M z = M 0 (1 2e t / T1 ) T 1 : longitudinális relaxációs idő (spin lattice relaxation time) kb. 300-2000 ms A longitudinális relaxáció esetén T 1 görbe Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 7 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 8 A longitudinális relaxáció RF180 esetén T 1 görbe Öt azonos fázisban lévő sin függvény összege Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 9 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 10 Öt különböző fázisban lévő sin függvény összege Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 11 Öt kezdetben azonos fázisban induló, de eltérő frekvenciájú sin függvény összege Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 12 Medical Imaging 10 2009.04.07. 2

Ha a mágnesezettségi vektor szöget zár be a z tengellyel, akkor a z tengely körül Larmor frekvenciával precessziós mozgást végez (pörgettyű forgatónyomaték hatása alatt), miközben a z-re merőleges komponense (M xy ) fokozatosan csökken, ezt a jelet tudjuk mérni: M xy = M xy0 e t / T2 A kezdetben azonos fázisban precesszáló spin-ek a lokálisan kissé eltérő mágneses térerősség hatására kiesnek a fázisból, és a továbbiakban már nem erősítik egymás hatását annyira. T 2 : transzverzális relaxációs idő (spin-spin relaxation time). T 2 << T 1 T2 kb. 30 150 ms T 1 és T 2 függ. a spin környezetének fizikai, kémiai tulajdonságaitól Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 13 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 14 A mérhető jel elméleti alakja T 2 görbe Valódi mért jel T 2 görbe Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 15 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 16 90-FID szekvencia: (FID Free Induction Decay): exponenciálisan csillapodó hullám. 0 FID T R A nyugalmi állapothoz történő visszatéréskor energia szabadul fel, ez az energia Larmor frekvenciájú rádió hullám formájában kisugárzódik Különböző T 2 görbék azonos proton sűrűség esetén Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 17 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 18 Medical Imaging 10 2009.04.07. 3

0 FID T R Általában a jel-zaj viszony javítása érdekében T R időnként megismétlik az egész folyamatot (pulzus és felvétel), ilyenkor a mágnesezettségi vektor még nem egészen tér vissza a nyugalmi állapotába, ezért az ismétlés során elforgatott vektor kisebb, mint M 0 : M z = M 0 (1 e TR / T1 ), így a jel nagysága is ezzel arányos (de T 2 -nek megfelelően csökkenő): S = k ρ (1 e TR / T1 ), ahol k arányossági tényező, ρ pedig a spin (proton) sűrűség. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 19 Ismételt szekvencia Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 20 Spin Echo szekvencia: echo Spin Echo szekvencia: echo RF180 RF180 0 (FID) T E T R A 90 0 -os pulzus után a precesszáló spin-ek fokozatosan kiesnek a fázisból, a 180 0 -os pulzus után azok, amelyek eddig siettek, most messzebbről indulnak, egy idő múlva újra szinkronba kerülnek, majd ismét kiesnek a szinkronból. A jel először erősödik, majd gyengül (T 2 -nek megfelelően). A jel maximális nagysága: S = k ρ (1 e TR / T1 ) e TE / T2, ahol T E a 90 0 -os pulzus és a maximális jel között eltelt idő. 0 (FID) T E T R Spin Echo szekvencia: echo RF180 0 (FID) T E T R Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 21 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 22 Spin echo: a 0 időpontban lévő után RF180 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 23 Spin echo: a 0 időpontban lévő után több RF180 Carr-Purcell-Meiboom-Gill szekvencia Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 24 Medical Imaging 10 2009.04.07. 4

Inverziós (Inversion Recovery) szekvencia: RF180 0 inverzió T I jel TR RF180 után hosszabb szünet van, ezalatt részben bekövetkezik a longitudinális relaxáció M z = M 0 (1 2e TI / T1 ), ahol T I az -ig eltelt idő. Ezt az M z t fogja forgatni. Ha T R időnként ismételjük a szekvenciát, akkor S = k ρ (1 2e TI / T1 + e TR / T1 ). A kapott jel kisebb, mint amekkorát 90-FID szekvencia esetén kaphatunk, de T I megfelelő választásával elérhető, hogy bizonyos szövetek (pl. ahol folyadék van) egyáltalán ne adjanak jelet. Ehhez T I -t úgy kell választani, hogy T I = T 1t ln 2, ahol T 1t az eltüntetendő szövetre jellemző T 1 érték. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 25 Inverziós (Inversion Recovery) szekvencia Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 26 Különböző T 1 görbék pozitív része azonos proton sűrűség esetén Különböző T 1 görbék azonos proton sűrűség esetén Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 27 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 28 Két T 1 görbe: az egyik nagy proton sűrűségű, hosszú T1-ű, a másik alacsony proton sűrűségű, rövid T1-ű anyaghoz tartozik Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 29 Különböző T 1 görbék Inverziós (Inversion Recovery) szekvencia esetén Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 30 Medical Imaging 10 2009.04.07. 5

Ha TR rövid, akkor nem telik el elég idő, hogy bizonyos szövetek longitudinális magnetizációja visszaálljon (T1 relatíve hosszú). Ha TE is rövid vagy nincs, akkor a T2 különbségek nem érvényesülnek. Ebben az esetben T1 súlyozott képet kapunk. Ha TR hosszú, akkor a T1 relaxacióban nem találunk jelentős különbséget az egyes szövetek között. Ha TE hosszú, akkor a T2 relaxációban lényeges különbségek jelentkeznek. Ebben az esetben T2 súlyozott képet kapunk. T1 súlyozott kép T2 súlyozott kép Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 31 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 32 Ha TR hosszú, akkor a T1 relaxacióban nem találunk jelentős különbséget az egyes szövetek között. Ha TE is rövid vagy nincs, akkor a T2 különbségek sem érvényesülnek. A rögzített jel csak a proton sűrűségtől függ. Ebben az esetben proton density súlyozott képet kapunk. TE ms 150 PD TR 2000-3000 ms TE 20 ms T1 TR 500-600 ms TE 20 ms 80 20 T2 TR 2000-4000 ms TE 80-150 ms Spin (proton) sűrűség kép 600 2000 TR 4000 ms Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 33 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 34 FLAIR (Free Liquid Attenuated Inversion Recovery A FLAIR olyan inverziós szekvenciával készült T2 kép, amelynél az RF180 impulzus után addig várunk, amíg a folyadékban a mágnesezettség értéke 0, és akkor adjuk ki -et. Ekkor a folyadék nem ad jelet. Gradiens mágneses mező: A hely meghatározás elve Olyan G x, G y, G z inhomogén mágneses mező, amelyben a térerő a megfelelő koordináta értékével arányos. Egy ilyen mágneses mezőt hozzáadva a B mágneses mezőhöz a Larmor frekvencia értéke a helytől függően megváltozik, pl.: ν x = γ (B + x G x ). Ezt többszörösen kihasználhatjuk. T2 FLAIR Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 35 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 36 Medical Imaging 10 2009.04.07. 6

Metszet kiválasztás (szelekció): Alkalmazzuk pl. G z t a γ (B + z 0 G z ) frekvenciájú pulzus idején. Erre a pulzusra csak a z = z 0 síkban lévő spin-ek fognak reagálni (rezonancia), tehát felvételkor csak ebből a síkból kapunk majd jelet. Felvétel közben alkalmazzuk pl. G x t, ekkor csak az x = x 0 síkban lévő spin-ek adnak γ (B + x 0 G x ) frekvenciájú jelet. Ezt és a metszet kiválasztását figyelembe véve a jel a z = z 0 és az x = x 0 által meghatározott egyenesen lévő spin-ekből származik (vetület). Visszavetítéses leképezés: G x helyett G x cos(ϑ) + G y sin(ϑ) t alkalmazva a ϑ szögű vetülethez juthatunk. A vetületek ismeretében a rekonstrukciós eljárások segítségével határozható meg maga a metszet. A három gradiens mágneses mező megfelelő súlyozásával tetszőleges irányú gradiens hozható létre, tehát tetszőleges sík metszet szelektálható, és rekonstruálható, nem csak transzverzális. Fourier transzformációval szét tudjuk választani a különböző frekvenciájú (különböző x koordinátájú egyenesekről érkező) jeleket, tehát a z = z 0 metszet 0 szögű vetülete megkapható. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 37 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 38 Fázis kódolás (phase encoding): n-szer ismételjük a szekvenciát (n általában 128 vagy 256). A k. ismétlésnél a metszet kiválasztása után G y * k / n fázis kódoló gradienst alkalmazunk: ahol nagyobb a térerő, ott nagyobb a Larmor frekvencia, ott a precesszió fázisa sietni fog. Minden ismétléskor más jelet kapunk. Az így nyert jelekből meghatározható, hogy melyik pont milyen mértékben járul hozzá a vetület értékéhez, tehát meghatározható maga a voxel érték. Több metszet egyidejű leképezése (multi slice imaging) Az egyes szekvenciák hasznos része általában sokkal rövidebb, mint a szekvencia ismétlési ideje. A metszet leképezéséhez kihasználatlan idő szomszédos metszetek leképezésére használható. Amikor az első metszet jelének fölvétele befejeződött, akkor indítható a második metszet szelekciója, stb. Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 39 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 40 árnyékoló pajzs ágy MRI készülék elvi felépítése gradiens erősítő gradiens pulzus programozó számítógép mágnes gradiens tekercsek RF tekercsek b e t e g RF tekercsek gradiens tekercsek mágnes RF vevő digitalizáló RF erősítő RF pulzus programozó RF forrás vákuum folyékony nitrogén ( 77 0 K) folyékony hélium ( 4 0 K) állvány MRI készülék vázlatos rajza szupra vezető tekercs vizsgáló tér Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 41 Máté: Orvosi képfeldolgozás 10. előadás 42 Medical Imaging 10 2009.04.07. 7