Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Fys-Kje 4740

Kapittel 1

Vlaardingerbroek/den Boer

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Vi avbilder enten:

- Fritt vann- Vann bundet til makromolekyler

1H protoner som inngår i makromolekyler lar seg ikke avbilde grunnet for rask relaksa- sjon (CH3).

Kapittel 1

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

I et NMR eksperiment er signalet avhengig av vevets protontetthet og relaksasjons egen-skaper. Når vi bringer et spinn-system ut av likevekt, vil systemets vekselvirkning med nærliggendemakromolekyler og frie protoner bestemmerelaksasjonen . Med relaksasjon mener vi enforandring i NMR signalet som funksjon av tidlike etter eksitasjonspuls.

Kapittel 1

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Materialχ m=Km-1

(x 10-5)

Paramagnetic

Iron aluminum alum 66

Uranium 40

Platinum 26

Aluminum 2.2

Sodium 0.72

Oxygen gas 0.19

Diamagnetic

Bismuth -16.6

Mercury -2.9

Silver -2.6

Carbon (diamond) -2.1

Lead -1.8

Sodium chloride -1.4

Copper -1.0

Permabilitet, Km:

Når et materiale blir plassert i et magnetfelt er permabiliteten forholdet mellom indre og ytre magnetfelt.

Suscepibilitet, χ:

Magnetisk susceptibilitet er definert som:

χm= (Km – 1)*10-5

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

x

y

z

MB

Kapittel 1

M = χ H

M = vevets magnetiseringχ = vevets susceptibilitetH = ekstern felt (B= Km H) Km = vevets permabilitet

χ < 0: Diamagnetismeχ = 1: Ikke magnetiskχ > 0: Paramagnetiskχ >> 0: Ferromagnetisk

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

y

x

zω0

Laboratorie referanse

B0

y`

x`

z`B0

Roterende referanse

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

ω0 (rad/s) = γ (rad/s/Tesla) x B0 (Tesla)

Larmors likning

γhydrogen = 2.68 *108 rad/s/Tesla

fL (MHz) = γ (MHz/Tesla) x B0 (Tesla)

γhydrogen = 42.58 MHz/Tesla

/2π

Joseph Larmor

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Rotasjon

I MRI brukes korte RF pulser tilå forandre retningen på magneti-seringsvektoren M.

For å oppnå en rotasjon av M rundten gitt akse anvendes et lineær polarisert og pulset magnetfelt, B1, langs denne aksen.

y`

x`

z

B1

M

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

RF pulsens magnetfelt, B1, er generert av to sirkulær polariserte felter som hver roterer med ω0 , men i motsatt retning

B1

Brot1Brot2

B1

tid

ω0 ω0

Rotasjon

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Rotasjon

RF pulsens varighet er bestemt av

flip vinkelen, α’s, verdi.

y`

x`

z`

Mα

tB1 = α / γ B1

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Rotasjon

Oppgave 1.1: Beregn B1-feltets styrke ved en 1.5ms, 45° RF puls.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Eksitasjon

NMR signalet kan registreres i det samme øyeblikk en komponent av M finnes i xy-planet (Mxy).

I videre signalbehandling ser vi bort fra forandringen av magnetiseringen i xy-planet under RF pulsen, men følger denne videre etter RF pulsen (FID-del).

Mxy

tidRF

Free Induction Decay (FID)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Eksitasjon

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

• Magnetfelt gradienter besørger den romlige kodingen av NMR signalet: - snittutvelgelse - snittkoding

• Utviklingen har gått mot kraftigere og raskere gradienter

Magnetfelt gradienter

I

I

Gradient spole

I I

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Magnetfelt gradient

I1 I2

Maxwell pair

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Magnetfelt gradient

Stigningstid (ms)

Gradient styrke (mT/m)

Slew rate (mT/m/ms) = Gradient styrke

Stigningstid

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Magnetfelt gradient

De første magnetfeltgradientene var på 3mT/m med en minimumstigningstid på 1ms. Dagens standard gradienter er på 25-30mT/mmed en minimum stigningstid på 0.2-0.4ms.Det er i tillegg mulig å kjøpe gradienter brukt spesielt til diffusjonspulser. Disse kan ha en styrke på ca. 60mT/m.

Grensen for max. gradientstyrke og min.stigningstid er fysiologiskbetinget. Ved rask gradientswitching oppstår nervestimuli. Dettekjennes hos pasienten som små rykkninger.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Magnetfelt-gradient

z

x

yδBG,z (z) = Gzz

δBG,z (y) = Gyy

δBG,z (x) = Gxx

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Snitt seleksjon

Snitt seleksjon skjer ved at en RF puls med en gitt frekvensbåndbredde anvendes samtidig som en gradientpuls. Gradientpuls retningen er vinkelrett på det valgte snittet. Ved å variere båndbredde eller gradient styrke kan ulike snitt tykkelse oppnås.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Snitt seleksjon

f(z) = γ (B0 + Gz * z)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

RF-puls

Seleksjon gradient

tid

tid

Seleksjonsgradient

Refasegradient

Spin system

Spin systemRefase gradient

RF

Gz

Snitt

Snitt seleksjon

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Free Induction Decay (FID)- Etter en 90° puls har vi maksimum signal induksjon i mottaker spolen. Dette signalet vil forsvinne med en gitt relaksasjonskonstant.

δBm er randomiserte feltforandringer som skyldes bevegelse av makromolekyler, samt andre spinn.

δBs er inhomogeniteter i det eksterne magnetfeltet.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Magnetfeltinhomgeniteter betyr at spinnene opplever forskjellige resonansbetingelser. Dette medfører ulik Larmor frekvens og dermed tap av den fase koherens spinnene har like etter RF pulsen. Relaksasjonskonstanten kalles T2*.

Free Induction Decay (FID)

S(t) δBm, δBs = S0 * exp (- t/T2*)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Free Induction Decay (FID)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

90° pulsDefasing

180° pulsRefasing til spinn ekko

Spinn Ekko

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Spinn Ekko

t=0 t=TE/2 t=TE90° 180°

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

• Bruker en 90°og en 180° RF puls til å generere ekko.

• Ekkoet som oppstår kalles spinn ekko (SE) eller Hahn ekko.• Ved å anvende flere

180° pulser kan man skape flere ekko.

Ekko

180°FA = 90°

RF

Z

Y

X

180° 180°

Spinn Ekko

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Carr-Purcell-Meinboom-Gill (CPMG)

En 90° x - 180°x - 180°x - 180°x - 180°x ….. sekvens vilraskt tape signal dersom 180°-pulsene ikke er nøyaktige.

CPMG foreslo å bruke: 90° x - 180°y - 180°y - 180°y - 180°y …..Dette medfører at annen hvert ekko gir max signal ved enkonstant flip vinkel feil.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Non Carr-Purcell-Meinboom-Gill (CPMG)

170° 170° 170° 170°

Carr-Purcell-Meinboom-Gill (CPMG)

170° 170° 170° 170°

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Spinn Ekko

Spinn ekko sekvensen er robust overfor susceptibilitets forskjellereller andre ”feil” som medfører konstante inhomogeniteter i magnet-feltet. Dette betyr at NMR signalet ikke svekkes p.g.a. δBs.

Det er dermed mulig å bruke multiple spinn ekko til å beregne signalbortfallet som følge av δBm. Dette bortfallet kalles ”spinn-spinn relaksasjon” og relaksasjonskonstanten kalles T2.

S(t) δBm = S0 * exp (- t/T2)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Spinn Ekko

90° 180° 180° 180° 180° 180° 180°

S(t) δBm = S0 * exp (- t/T2)

t

S

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Frekvens koding

Når snittutvelgelsen har funnet sted begynner koding av snittet.Den har som mål å gi MR signalet i hver voksel en unik kombinasjonav frekvens og fase. Gradientretningen som koder frekvens-informasjonen kalles:

- frekvensretning (frequency)- måleretning (measurement)- utlesningsretning (read out)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Frekvens koding

Ved en spinn ekko sekvens anvendes først en gradient pulsmellom 90° og 180° RF pulsene. Denne defaser spinnene.Etter refokuseringspulsen (180° pulsen) anvendes en ny gradientpuls som refokuserer/refaser spinnene og et spinn ekko dannes.Mens NMR ekkoet dannes registreres (samples) signalet. Signalet består av mange frekvenser siden signalet er posisjonsbestemt. De ulike frekvensene og deres signal styrke kan ekstraheres ved hjelp av Fourier analyse av det registrerte signalet.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

frekvens

Posisjon

ω(0)

x=0

Frekvens koding

δω = γGmFOV/2

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Fase koding

Når snittutvelgelsen har funnet sted begynner koding av snittet.Den har som mål å gi MR signalet i hver voksel en unik kombinasjonav frekvens og fase. Gradientretningen som koder fase-informasjonen kalles:

- faseretning (phase)- preperasjon/prep (preparation)- evolusjon (evolution)

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Fase koding

Fasegradienten vil i en spinn ekko sekvens aktiveres mellom90° og 180° pulsene. Gradient retningen er ortogonalt på seleksjonog frekvens gradient retningene.I et standard bilde opptak er fase gradienten den eneste gradientensom varieres i styrke i løpet av opptaket. Hver forandring i gradient-styrke kalles et ”fasestepp”.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Fase koding

Fasekoding kan eksemplifiseres ved figuren til venstre. Signalet måles først uten fasegradient:

S1 = S(0, y1) + S(0, y2)

Deretter anvendes en fasegradient som tilfredstiller:

σ2 - σ1 = γGy(y2 - y1)tGy = π

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Fase koding

Pånytt måles signalet og denne gangen har vi:

S2 = S(0, y1) - S(0, y2)

Vi har nå to likninger med to ukjent som dermed kan løses. Prinsippet kan utvides til den ønskelige matrisen.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Komplett pulssekvens

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Snittinformasjon

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Hardware

Kjennskap til:- Superledende magneter- ppm begrepet- Gradientspoler- Eddy strømmer/eddy strøm kompensering- RF-forsterker/RF spoler- Mottaker/mottaker spoler- Fysiologiske signal- Bruker-konsollet

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

ppm - parts per million

Begrepet ”ppm” brukes i MRI til å angi homogeniteten ihovedmagnetfeltet. ppm måles i Hz og denne verdiener avhengig av B0-feltets styrke.

Eks. 1Tesla magnet: 1ppm utgjør 42,58 Hz 1.5Tesla magnet: 1ppm utgjør 63,87 Hz

ppm = * B0 / 1*106

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

Gradient spoler

Gradient spoler anvendes for å skape linjære forandringer i hoved-magnetfeltet (Bo). Gradientspolen består av tre sett med spole-elementer. Til forandringer i z-retningen anvendes et Helmholtz par, mens for magnetfeltvariasjoner langs x- og y-aksen anvendes en dobbel salspole.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

RF spoler

RF spoler er MR-systemets antenner som sender RF signalene (B1-feltet) inn i pasienten og/eller mottar NMR signalet fra pasienten. RF spoler kan være kun mottakere (”receive-only”) der body spolen brukes som RF sender, eller både mottaker og sender (”transceiver”).

Overflate spoler (”surface coils”) har det enkleste spole designet. De består av en enkel lednings sløyfe, enten sirkulær eller rektangulær. Bildedybden er begrenset til ca. radius av spolen. Denne spoletypen blir oftest brukt til rygg, skulder og kjeveavbildning, samt små anatomiske områder.

Dobbel salspole (”paired saddle coil”) er den vanligste spoledesignet for kne avbildning. Spolene gir god RF homogenitet.

Helmholtz par består av to sirkulære og parallelle spoleelement. Denne spoletypen anvendes bl.a. til hofte og ryggavbildning.

Fuglebur spolen (”bird cage coil”) er det spoledesignet som gir den beste RF homogeniteten. Spoletypen anvendes som oftest som en transceiver spole for hodeavbildning, men også som knespole.

Kapittel 1

UiO-05 Fys-Kjm 4740

http://www.mr-tip.com/http://www.mritutor.org/http://www.amershamhealth.com/medcyclopaedia/medical/index.asp

WWW: