1. No category

Suppea johdatus
magneettikuvauksen perusteisiin
Jukka Jauhiainen
Yliopettaja, FT
Oulun seudun ammattikorkeakoulu
Tekniikan yksikkö
Hyvinvointiteknologian koulutusohjelma
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010
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
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
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
Atomin rakenne ja
kuvantamismenetelmät
Ydin:
-Protonit
-Neutronit
Elektroniverho
Radioaktiivisuus
Ydínmagneettinen
resonanssi
Isotooppilääketiede
Magneettikuvaus
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001/2010
Röntgenabsorptio
Röntgenkuvaus
Magneettikuvauksen periaate yhdellä kalvolla
H
(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
Ei ulkoista magneettikenttää
• Ilman ulkoista
magneettikenttää
ydinspinit ovat
suuntautuneet
satunnaisesti eri
suuntiin
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010
Ulkoinen magneettikenttä
• Kun magneettiset
ytimet joutuvat
ulkoiseen
magneettikenttään,
suuntautuvat
ydinspinit joko kentän
suuntaisesti tai sille
vastakkaiseen
suuntaan.
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010
B0=1,5 T
Koordinaatisto
z
B0
Mz
M0
Mxy
x
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010
y
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
Nettomagnetoituma
• Syntyy
nettomagnetoituma
• Magnetoitumavektori pyörii zakselin ympäri
• MRI-signaalia ei
vielä havaita
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Radiotaajuusviritys (RF-viritys)
RF-virityksellä
magnetoitumavektori käännetään
pyörimään xytasossa.
Magnetoituma pyörii
pitkin spiraalia kohti
xy-tasoa
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
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 / 2001 - 2010
Relaksaatioajat T1 ja T2
– T1-relaksaatio: Kuvaa sitä, kuinka nopeasti zakselin 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 / 2001 - 2010
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 / 2001 - 2010
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 / 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 / 2001 - 2010
Epävaiheistuminen II
• ...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 / 2001 - 2010
Jäljessä
Edellä
T2-relaksaatio
• Vokselin sisällä tapahtuvaa spinien
epävaiheistumista sanotaan T2relaksaatioksi.
• 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 / 2001 - 2010
Kuvan kontrasti
• MAGNEETTIKUVAN KONTRASTI
SYNTYY SIITÄ, ETTÄ ERI
KUDOKSILLA ON TOISISTAAN
POIKKEAVAT T1- ja T2RELAKSAATIOAJAT
• Relaksaatioaikojen lisäksi kontrastiin
vaikuttaa suhteellinen protonitiheys
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
Tyypillisiä kudosparametrien
arvoja 0,15 T kentässä
Kudos
PD
Valkea aivoaine
Harmaa aivoaine
Veri
CSF
Tulehdus
Benigni kasvain
Infarkti
Rasva
Perifeerinen lihas
Maksaparenkyymi
Perna
1,0
0,9
1,0
1,2
1,0
1,0
1,0
0,8
1,0
1,0
1,0
T1 (ms) T2 (ms)
380
520
800
2000
650
650
650
170
250
250
550
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
85
95
150
1000
150
150
150
100
45
50
120
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 / 2001 - 2010
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 / 2001 - 2010
Kuvanmuodostuksen periaate
• Yksinkertaisin tapa kerätä signaali: Jokaisesta vokselista
saadaan ajan funktiona vaimeneva sinimuotoinen FIDsignaali
• 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 / 2001 - 2010
Kokonaismagneettikenttä yhdessä suunnassa
Suuri kenttä,
Suuri taajuus
Putken keskikohta
Gradientti
Pieni kenttä,
pieni taajuus
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010
B0 (vakio)
END OF PART ONE ...
(C) Jukka Jauhiainen / OAMK
Tekniikan yksikkö / 2001 -2010