What is NMR? nuclear: properties of nuclei of atoms magnetic: magnetic field required resonance: at a specific frequency NMR MR: Why the name change? Signal from the object itself most likely explanation: nuclear has bad connotations No injection of radioactive isotopes (unlike PET or SPECT) Rich contrast mechanisms, good soft-tissue contrast MRI operates in RF range, non-ionizing (unlike CT)
T 1 Weighted Image (T1WI) T 2 Weighted Image (T2WI) Short TE, Short TR Long TE, Long TR
X-Ray, CT Excites Protons MRI
The Big Magnet Main field = B 0 Tesla and Gauss are units of magnetic field strength 1 Tesla (T) = 10,000 Gauss (G or Gs) Earth s magnetic field 0.5 G 4 Tesla = 40,000 G 80,000X Earth s magnetic field Continuously on! Very strong! Magnet safety Robarts Research Institute 4T x 80,000 = B 0 Source: www.spacedaily.com
MRI scanner An Introduction to MRI Physics and Analysis Michael Jay Schillaci, PhD
MR TÍPUSOK I. Permanens mágneses MR berendezések Tulajdonságok: állandó mágnes komponensek által szolgáltatott függőleges orientációjú B0 mező. Ferromágneses C-ívvel épített, oldalról nyitott konstrukció. 0,1 Tesla...0,35 Tesla B0; 20mT/m...35 mt/m gradiensek, 4 MHz...12 MHz f0 proton frekvencia. Előnyök: oldalról nyitott vizsgálati térrész, kényelmes páciensasztal, alacsony beszerzési, telepítési és fenntartási költségek, főként végtagi és fej vizsgálatokra Hátrányok: gyenge vagy közepes anatómiai felbontás, átlagos szöveti kontraszt, korlátozott szekvencia készlet, hőstabilitás. Erős szórt tér, nagy tömeg, mágneses tér nem szüntethető meg. 1990 óta több generációs fejlődésen ment keresztül, mind a mai napig kínálati listán szerepeltetik japán, európai és amerikai MR gyártók. Fő piac a kis-közepes radiológiai és belgyógyászati magánpraxis, esetenként kiegészítő képalkotó eszköz nagyobb egészségügyi intézmények traumatológiai stb. ellátásnál. Siemens Magnetom C! 0.35T, Hitachi Aperto 0.4T, Toshiba Access 0.064T
MR TÍPUSOK II. Rezisztív mágneses MR berendezések Tulajdonságok: áramjárta vezetővel létrehozott, függőleges vagy vízszintes orientációjú B0 mező. Vasmagos C-íves és légmagos, álló tekercses kivitelek. Oldalról nyitott konstrukció. 0,2 Tesla...0,6 Tesla B0; 20mT/m...40+ mt/m gradiensek, 8 MHz...35 MHz f0 proton frekvencia Előnyök: oldalról nyitott vizsgálati térrész, kényelmes páciensasztal, kis méret és tömeg, közepes beszerzési, telepítési és fenntartási költségek. Mágneses tér kikapcsolható Hátrányok: közepes anatómiai felbontás, átlagos szöveti kontraszt, korlátozott szekvencia készlet. Erős szórt mágneses mező, működéshez nagy energia és hűtési igény 1990-es évek eleje óta vannak gyártmányok, szűkebb a választék, mint az előnyösebb tulajdonságú permanens mágneses gépekből. Fő piac a kisközepes radiológiai és belgyógyászati magánpraxis. Hitachi Airis II 0.3T, Siemens Open Viva 0.2T; FONAR 0.6T
MR TÍPUSOK III: Szupravezető mágneses MR berendezések Tulajdonságok: LHe hőmérséklettű szupravezető tekerccsel létrehozott, vízszintes orientációjú B0 mező. Alagút vagy gyűrű alakú gantry; klinikai alkalmazásban 1Tesla...3 Tesla B0; 20mT/m...80 mt/m gradiensek, 40MHz...120 MHz proton frekv. Előnyök: teljes test vizsgálatra alkalmas, korlátlan szekvencia készlet. Kiváló anatómiai felbontás és szöveti kontraszt, univerzális klinikai és kutatási alkalmazás. Dinamikus mezőárnyékolás, kis szórt tér. Mágneses tér megszüntethető. Hátrányok: magas telepítési és üzemeltetési költségek. B0 és gradiens mező miatti fiziológiai hatások. Mágnesleállás költséges Igényes közepes vagy nagy klinikai és kutató helyek alaptípusa, a radiológia diagnosztikai alapeszköze. 1990-es évek óta óriási fejlődésen ment át a mágnes, a gradiens és az RF jelfeldolgozási technika. Széleskörű alkalmazások, általános anatómiai és teljes test képalkotás, funkcionális MRI, MRS és páciens komfortot szolgáló egységek jellemzik. General Electric Signa family 1,5T; Philips Achieva, Intera 1,5T-3T; Siemens Magnetom family 1,5T-3T
Spin Spin (intrinsic magnetic and angular moment of a certain nucleus) Nuclei with nonzero spin are MR-active only Pairs of spins tend to cancel each other, so only atoms with an odd number of protons and/or neutrons have net magnetic momentums MR active nuclei are 1 H, 13 C, 19 F, 23 Na, 31 P MR inactive nuclei are 12 C, 4 He, 16 O and 32 S
Hydrogen Hydrogen nuclei (protons) have spins Hydrogen is MR-sensitive The human body is primarily fat and water (both contain hydrogen) Hydrogen is most commonly used in MRI
Hydrogen without magnetic field Normally, spins are randomly oriented No net magnetization (M=0)
Hydrogen in magnetic field Compasses in a dryer analogy
Hydrogen in magnetic field At 1.5 T the net magnetization (M) is equivalent to 1 per million nuclear spin oriented along the direction of the field. B 0
Precession
Precession If M is not parallel to B 0, then it precesses clockwise around the direction of B 0 0 Precession has a characteristic (resonance) frequency called Larmour frequency: ω 0 =γb 0 Normally (fully relaxed situation) M is parallel to B 0, and therefore does not precess
Excitation We can t detect M until it is paralell to B 0 An oscillating B 1 magnetic field can change the orientation of net magnetization B 1 (RF pulse) must rotate at Larmour frequency Once excited, magnetization precesses at resonance frequency
Excitation
Signal detection B 1 (90-degree pulse) is switched off when the M lies in the x-y plane M precesses on Changing magnetic field creates an electric field (Faraday s law of electromagnetic induction) Conversion of rotating magnetization to electrical signal (coil)
Signal detection
Signal detection
Signal detection
FID (Free Induction Decay) Most basic signal from a spin system Arises from the action of B 1 Free : free precession of magnetization about the B 0 field Induction: signal was produced based on Faraday s law Decay: characteristic decrease with time of the signal amplitude
MR signal decays in time T 1 relaxation T 2 relaxation T 2 * relaxation
T 1 relaxation Synonyms: Spin-lattice relaxation, thermal relaxation, longitudinal relaxation Spins preferentially align with the static magnetic field (B 0 ) Following a 90-degree flip, the longitudinal magnetization (M z ) will return to its equilibrium value Speed of regrowth of M z has time constant: T 1 (tissue-specific, magnetic field dependent) Energy exchange between the spins and surrounding lattice (spin-lattice relaxation)
Longitudinal Magnetization T 1 relaxation
T 2 relaxation Synonyms: Spin-spin relaxation, transverse relaxation Random tumbling of neighbouring nuclei cause random fluctuations in the local magnetic field fluctuations in Larmour frequency Flipped nuclei start off all spinning together, but quickly become incoherent (out of phase) Irreversible process by which the transverse magnetization (M xy ) dephase/decay Speed of decay of M xy has time constant: T 2 (tissue-specific)
T 2 relaxation all the spins in phase slight increase/decrease in Larmour frequency
Transverse Magnetization T 2 relaxation
T 1 and T 2 relaxations
T 2 * relaxation Inhomogeneity in magnetic field increases the rate of spin coherence T2 relaxation This inhomogeneity is caused by nonuniformity in the static magnetic field the magnetic susceptibility of patient tissue (field is strengthened or weakened by the presence of the material) T 2 * is the time required for 63% of the transverse magnetization to decay in the presence of field inhomogeneity
FID (Free Induction Decay)
Magnetic resonance: summary Polarization: in external magnetic field (B 0 ), protons align to create magnetization Excitation: RF pulse (B 1 ) tips magnetization away from B 0 (Z axis) Precession: excited magnetization rotates about B 0 Detection: magnetization induces current (signal) in tuned coil close to object Relaxations: magnetization slowly returns to alignment with B 0 (T1 relaxation); loss of phase coherence due to inhomogeneity (T2, T2* relaxation)
Bloch Simulator http://www.drcmr.dk/blochsimulator/
Spin echo Simple extension to the FID experiment The 90-degree (excitation) pulse is followed by a 180-degree (refocusing) pulse The particural benefit of the spin echo is in cases where imperfections in the uniformity of the static (B 0 ) magnetic field exist
Spin echo Right after the excitation the magnetization is maximal
Spin echo Loss of phase coherence due to T 2 * relaxation
Spin echo Refocusing pulse is applied
Spin echo The last must be the first and the first must be the last
Spin echo The magnetization is recreated
1 90 180 3 Spin echo 6 t=tr 2 4 5 Echo t=te RF pulse FID Signal Detected signal Loss of phase coherence Recovery of phase coherence
Spin echo
T 2 vs T 2 * relaxation SE can refocus only part of the signal decay With refocusing signal will have T 2 contrast Without refocusing signal will have T 2 * contrast T E
Important sequence timing parameters TE: echo time, or the time between excitation and readout (in spin echo, the time of echo) TR: repetition time, the time between repeated excitations of the same sample The value of the repetition time (TR) and the echo time (TE) can be varied to control contrast in spin echo imaging.
TR and T 1 contrast T 1 vary for different tissues Tissue A has longer T 1 than tissue B (T 1A >T 1B ) If TR is short the longitudinal magnetization of tissue A will recover less than the longitudinal magnetization of tissue B Thus, the transverse magnetization amplitude of tissue B will be higher after the next excitation.
Signal TR and T 1 contrast Short TR Difference due to T 1 relaxation Short TE No difference from T 2 relaxation Short TR
TE and T 2 contrast Signal decays faster in some tissues than others (T 2 vary for different tissues) By setting the TR to long values, the T 1 effect on tissue contrast will be reduced. If TE is long enough (but not too long), differences in transverse relaxation will alter tissue contrast
TE and T 2 contrast Long TR No difference from T 1 relaxation Short TE No difference from T 2 relaxation Long TE Difference due to T 2 relaxation Long TR
T 1 Weighted Image (T1WI) T 2 Weighted Image (T2WI) Short TE, Short TR Long TE, Long TR