Основы МРТ презентация

Основы МРТ

Немного истории 1946г. – Феликс Блох установил, что ядро атома и другие заряженные частицы, например протон, имеют магнитное поле, за что ему была присуждена Нобелевская премия. Открытие было сведено им в уравнение, названное уравнением Блоха. Начало 1950-х – исследования Блоха подтверждены экспериментально. 1960г. - разработаны спектрометры ядерно-магнитного резонанса для аналитических целей. 1960е – 1970e - ЯМР спектрометры широко использовались в академических и индустриальных исследованиях. Спектрометрия используется для анализа молекулярного строения вещества, основанного на его ЯМР спектре. Конец 1960х - Раймонд Дамадиан обнаружил, что злокачественная ткань отличается от нормальной ЯМР параметрами. Он предположил, что на основании этих различий можно характеризовать ткани. 1974г. - он получил первое ЯМР изображение опухоли у крысы.

Еще немного истории… 1977г. - Дамадиан и его помощники сконструировали первый сверхпроводящий ЯМР сканер и получили первое изображение тела человека. Одновременно Пол Лаутербур проводил подобные исследования в этой же области. Вопрос о том, кто же является родоначальником МРТ спорный, хотя, следует признать, что оба ученых внесли свой вклад. Начало 1980х – широкая разработка и производство МР-сканеров. На данный момент МРТ все еще находится в стадии бурного развития

Что такое МРТ? ЯМРТ – Ядерно-магнитно-резонансная томография Я - Ядро – атомное ядро, на его свойствах и базируется метод. М – Магнит – внешнее магнитное поле необходимо для проявления нужных свойств атомного ядра. Р – Резонанс - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы. При помощи резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Т – Томография - получение послойного изображения внутренней структуры объекта. Название ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) было заменено магнитно-резонансной томографией (МРТ), так как полагалось, что слово ядерный не найдет широкого признания в обществе.

Намагниченность. Атом во внешнем поле. При помещении атома, например, водорода во внешнее магнитное поле он: Выстраивается параллельно или антипараллельно магнитному полю (состояния с низкой и высокой энергией соответственно.) Начинает прецессировать вокруг этого направления с ларморовой частотой , где - Ларморова частота [МГц] – гиромагнитное отношение [МГц/Тл] - индукция внешнего магнитного поля [Тл] Распределение протонов по состояниям не одинаковое – различие в 6ppm (parts per million – миллионных долей) на Тл в пользу низкоэнергетического состояния.

Намагниченность. Гиромагнитное отношение. Ларморова частота. Гиромагнитное отношение – индивидуальная характеристика ядра, описывающая его свойства. Для МРТ подходит не только водород. Примеры других подходящих элементов – в таблице. Водород используется как самый распространенный, а также как имеющий наибольшее гиромагнитное отношение. Другие элементы используются для спектроскопии

Намагниченность. Суммарной намагниченностью называют суммарный магнитный момент всех протонов, вычисленный по правилу векторной суммы. Во внешнем поле он, очевидно отличен от нуля и направлен параллельно полю (за счет перевеса в 6ppm/Тл в пользу протонов ориентированных параллельно полю). Введем систему координат так, чтобы исходный вектор суммарной намагниченности был направлен вдоль оси .

Возбуждение. Центральная частота. Резонанс. Центральной частотой системы называют Ларморову частоту атомов водорода, соответствующую центральному полю данной системы. Явление резонанса играет важную роль в процессе возбуждения. Атомы водорода чувствительны только к электромагнитным колебаниям ларморовой частоты, следовательно, подавая электромагнитный импульс такой частоты мы можем переводить атомы из низкоэнергетического состояния в высокоэнергетическое. Вектор суммарной намагниченности при этом отклоняется от оси на угол , называемый углом поворота - Flip Angle (FA). Управлять FA можно регулируя амплитуду и длительность РЧ импульса. При этом мы как бы «закачиваем» энергию в образец. Этот процесс и называется возбуждением.

Релаксация. T1 Протоны стремятся вернуться в первоначальное положение, называемое равновесием. Это достигается за счет излучения поглощенной энергии в форме (незначительного) тепла и электромагнитных волн. Происходит «обратное возбуждение»: вектор намагниченности возвращается к оси , при этом излучается радиоволна. Процессы происходящие вдоль оси известны, как спин-решеточная или T1-релаксация.

Релаксация. Кривая T1-релаксации. Протоны в ткани участвуют в химических связях разной силы. Сильно связанные протоны выделяют энергию быстрее. Этим объясняется форма приведенного графика. График индивидуален для каждой ткани, что обеспечивает хорошее контрастное разрешение МРТ. Постоянной времени T1 называют время, необходимое для достижения проекцией намагниченности на ось , 63% начального значения .

Релаксация. T2 T1 и T2 релаксации – два независимых процесса, протекающих одновременно. T2-релаксация описывает процессы, протекающие в плоскости . До применения возбуждающего импульса все протоны вращаются вокруг своей оси не в фазе – отсутствует фазовая когерентность. После применения возбуждающего импульса все протоны вращаются вокруг своей оси в фазе – возникает фазовая когерентность, и, как следствие, проекция намагниченности на плоскость . Со временем из-за неоднородностей магнитного поля (и несоответствия частот) фазовая когерентность распадется – произойдет расфазировка. Этот процесс и называется T2-релаксацией.

Релаксация. Кривая T2-релаксации. Аналогично T1, скорость релаксации зависит от силы связи и индивидуальна для каждой ткани. Постоянная времени T2 определяется как время необходимое для расфазировки до 37% начального количества синфазных протонов. T2-релаксацию называют спин-спиновой. Она протекает гораздо быстрее, чем T1-релаксация.

Релаксация. Итоги. T1 и T2 релаксации – два независимых процесса, протекающих одновременно. T1 происходит вдоль оси , T2 происходит в плоскости . T2 гораздо быстрее T1. Когда оба процесса релаксации завершены, суммарный вектор намагниченности снова направлен вдоль главного магнитного поля и протоны вращаются не в фазе.

Сбор данных Осуществляется приемной катушкой Регистрируем FID (Free Induction Decay – спад свободной индукции) – сигнал от T2 релаксации. спад T2 происходит быстро (за ± 40 миллисекунд) за счет локальной неоднородности магнитного поля и химического сдвига (T2* эффекты)

Откуда пришел сигнал? Разделим тело на элементы объема, известные как вокселы. Закодируем воксел таким образом, что протоны, содержащиеся в нем, будут испускать РЧ волну с известной фазой и частотой. Амплитуда сигнала зависит от количества протонов в вокселе. Для кодирования воксела служат градиентные катушки - набор проводов в магните, которые позволяют создавать дополнительные магнитные поля, накладывающиеся на главное магнитное поле B0.

Срез-кодирующий градиент Gss При включенном Z-градиенте в этом направлении генерируется дополнительное магнитное поле. Обозначение +Gz на вверху показывает, что поле у головы сильнее, чем в изоцентре магнита, что означает более высокую Ларморову частоту. Для ног – обратная картина. (Частоты взяты для примера, реально разница между частотами гораздо меньше). Если мы применим РЧ импульс с частотой 63.7 МГц, прореагируют ТОЛЬКО протоны в тонком срезе головы, потому что они - единственные, вращающиеся с этой же частотой. Это называется срезкодированием или срезселекцией. В этом примере Gz – срез-кодирующий градиент. На данном этапе ответный сигнал получен от единственного среза головы.

Фазо-кодирующий градиент Для дальнейшего кодирования на короткое время включается градиент Gy. В течение этого времени в anterior-posterior направлении создается дополнительное магнитное поле. В этом случае передние протоны будут вращаться немного быстрее, чем задние, поэтому протоны больше не вращаются в фазе. Очевидно, что протон 2 накопил большую фазу чем протон 1. Когда градиент Gy выключается, протоны в срезе вращается с одинаковой частотой, но каждый имеет различную фазу. Это называется кодированием фазы. Теперь мы знаем две вещи: Сигнал поступает из среза головы. (Кодирование среза) Сигнал содержит ряд РЧ волн, имеющих одинаковую частоту, но разные фазы, т.е. можно отличить, поступает ли сигнал с передней или задней сторон. (Кодирование фазы) Осталось выполнить еще одно кодирование для определения стороны поступления сигнала: левая, центральная или правая часть головы.

Частотно-кодирующий градиент Для кодирования левого-правого направления включается градиент Gx. Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах одновременно, но разность фаз, полученная от фазокодирующего градиента на предыдущем шаге, сохраняется. Теперь возможно определить, поступает ли сигнал с левой, центральной или правой стороны среза. Т.е., мы можем точно определять непосредственное происхождение сигналов, которые принимаются катушкой.

В итоге Gz градиент выбрал аксиальный срез. Gy градиент создал строки с разными фазами. Gx градиент сформировал столбцы с разными частотами. Были созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы. Количество протонов в каждом вокселе определяет силу (амплитуду) РЧ волны. Итоговый сигнал содержит сложное сочетание частот, фаз и амплитуд из разных вокселей одновременно. Компьютер получает эту информацию и производит над ней двумерное преобразование Фурье (ДПФ), которое позволяет компьютеру вычислить точное размещение и интенсивность (яркость) каждого воксела. ВАЖНО: за один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки, т.е. для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен столько раз, сколько определено параметром «матрица кодирования фазы» (MХpe).

Характеристики градиента Максимальная сила: как можно выше (минимальное поле наблюдения FOV и максимальная матрица). Время нарастания: как можно короче. Скорость нарастания: как можно больше (минимальное TR и TE).

Толщина среза Толщина среза определяется двумя факторами: Крутизной наклона поля градиента. Полосой частот 90º РЧ импульса. На рис. A и B крутизна градиента одинаковая, в то время как полоса частот РЧ импульса разная. Рис. C и D показывают, что, изменяякрутизну градиента при постоянной полосе частот РЧ импульса, можно также изменять толщину среза.

К-пространство К-пространство – это массив «сырых» необработанных собранных МРТ сканером данных до преобразования в изображение Синонимы к-пространства – временная область (Time Domain) и q-space.

Структура информации в К-пространстве Если восстановить только центральную часть k-пространства, результирующее изображение контрастно, но очень расплывчато. Это потому, что мы не учли информацию о пространственном разрешении.

Заполнение k-пространства За один шаг кодирование фазы можно выполнить только для одной строки. Полный процесс возбуждения, кодирования фазы и так далее, повторяется столько раз, сколько мы определили параметром . K-пространство поэтому также заполняется построчно. - размер матрицы сканирования в направлении фазового кодирования - размер матрицы сканирования в направлении частотного кодирования

Halfscan k-пространство почти симметрично в обоих направлениях. При заполнении k-пространства более чем на 50% можно заполнить недостающие строки уже полученными ранее Нижняя часть заполняется данными верхней, что позволяет сократить время сканирования Результирующее изображение теряет качество

Методы заполнения k-пространства Линейный - метод, который мы использовали выше. Центральный - начинается в центре. Это полезно, когда сначала необходимо сохранить информацию о контрасте, например при МР- ангиографии с контрастным усилением. Реверсивный центральный – от краев к центру, применяется редко Спиральный - используется с очень быстрыми методиками сканирования, например, эхопланарное сканирование (Echo Planar Imaging – EPI) с одним снимком. Все k-пространство заполняется после однократного сбора данных. Недостатки - низкое пространственное разрешение, высокая чувствительность к неоднородности магнитного поля.