Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin

Esitys aiheesta: "Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin"— Esityksen transkriptio:

1 Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin
Jukka Jauhiainen Yliopettaja, FT Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö Hyvinvointiteknologian koulutusohjelma (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010

2 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

3 (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

4 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001
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

5 Atomin rakenne ja kuvantamismenetelmät
Ydin: -Protonit -Neutronit Elektroniverho Ydínmagneettinen resonanssi Röntgenabsorptio Radioaktiivisuus Röntgenkuvaus Magneettikuvaus Isotooppilääketiede (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001/2010

6 Magneettikuvauksen periaate yhdellä kalvolla
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010

7 (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

8 Ei ulkoista magneettikenttää
Ilman ulkoista magneettikenttää ydinspinit ovat suuntautuneet satunnaisesti eri suuntiin (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010

9 Ulkoinen magneettikenttä
B0=1,5 T Kun magneettiset ytimet joutuvat ulkoiseen magneettikenttään, suuntautuvat ydinspinit joko kentän suuntaisesti tai sille vastakkaiseen suuntaan. (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010

10 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010
Koordinaatisto z B0 M0 Mz y Mxy x (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010

11 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010
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

12 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Nettomagnetoituma Syntyy nettomagnetoituma Magnetoituma-vektori pyörii z-akselin ympäri MRI-signaalia ei vielä havaita (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö /

13 Radiotaajuusviritys (RF-viritys)
RF-virityksellä magnetoituma-vektori käännetään pyörimään xy-tasossa. Magnetoituma pyörii pitkin spiraalia kohti xy-tasoa (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö /

14 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 /

15 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Relaksaatioajat T1 ja T2 T1-relaksaatio: Kuvaa sitä, kuinka nopeasti z-akselin 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 /

16 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 /

17 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 /

18 (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 /

19 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Epävaiheistuminen II Jäljessä Edellä ...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 /

20 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
T2-relaksaatio Vokselin sisällä tapahtuvaa spinien epävaiheistumista sanotaan T2-relaksaatioksi. 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 /

21 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Kuvan kontrasti MAGNEETTIKUVAN KONTRASTI SYNTYY SIITÄ, ETTÄ ERI KUDOKSILLA ON TOISISTAAN POIKKEAVAT T1- ja T2-RELAKSAATIOAJAT Relaksaatioaikojen lisäksi kontrastiin vaikuttaa suhteellinen protonitiheys (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö /

22 Tyypillisiä kudosparametrien arvoja 0,15 T kentässä
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö /

23 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
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 /

24 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 /

25 Kuvanmuodostuksen periaate
Yksinkertaisin tapa kerätä signaali: Jokaisesta vokselista saadaan ajan funktiona vaimeneva sinimuotoinen FID-signaali 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 /

26 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Kokonaismagneettikenttä yhdessä suunnassa Suuri kenttä, Suuri taajuus Putken keskikohta B0 (vakio) Gradientti Pieni kenttä, pieni taajuus (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö /

27 (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 -2010
END OF PART ONE ... (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö /