podstawy tomografii...

Podstawy tomografiimagnetyczno-rezonasowej

Stanisław KwiecińskiInstytut Fizyki JądrowejPAN

stanislaw.kwiecinski@ifj.edu.pl

Optymistyczny plan

• Pole magnetyczne• Spin jądrowy i moment magnetyczny• Magnetyzacja wypadkowa• Precesja• Magnetyczny Rezonans Jądrowy (MRJ)• Impuls RF• Czasy Relaksacji• Sygnał MR i jego parametry

SygnałMR

• Gradienty pola magnetycznego• Wybór warstwy• Kodowanie częstości• Kodowanie fazy

ObrazMR

Popularne techniki obrazowania

fotografia

zdjęcie Roentgenowskie

obraz MR

Jak otrzymać sygnał MRobiekt

zmiennepole B1

polemagnetyczne B0

rezonans surowysygnał

Transf.Fouriera

„ładny”sygnał

Tomograf MR

Cewka RF

Magnes

Gradienty

Magnes : B0

Cewka RF : B1

Cewki gradientowe: Gx, Gy, Gz

Magnetyczny Rezonans Jądrowy

NMR – Nuclear Magnetic Resonance (NMR)MR – Magnetic Resonance – Rezonans Magnetyczny

Tomografia magnetyczno-rezonansowa

Tomografia – z jęz. greckiego tomos - przekrójgrafo - rysuję

Obraz przekroju otrzymany przy wykorzystaniuzjawiska magnetycznego rezonansu (jądrowego)

S

N

B0

Nuclear

Magnetic

Resonace

B1 SignalB0

Imaging

S

N

B0

Magnetyczny

Rezonans

Jądrowy

B1 Sygnał MRB0

Magnetic field

Some common examples

The Earth magnetic field(B 0.05 T)

The magnetic fieldlines of the bar magnet

Magnetic field

The magnetic field lines arounda long wire which carriesan electric current

The magnetic field linesaround circular loop throughwhich electric current flows

Różne rodzaje magnesów

1.5T, 3T, 7T 0.2-0.5T

Magnesy do zadań specjalnych

7, 9T 7 - 21T

Zadanie magnesu

Generowanie stałego pola magnetycznego Bo

Pole magnetyczne mierzymy w Teslach /T

Medyczne Tomografy MR maja pole 1.5T, 3T, 7T

Magnesy używane w laboratoriach generują pola nawet do 21T

W użyciu jest także stara jednostka pola Gauss / Gs

1T = 10000Gs

Pole ziemskie B 0.05 T

NuclearNuclear spin Jspin J

ParticleParticle performingperforming circularcircular motionmotion oror rotatingrotating aboutabout thethe axisaxis possespossesangularangular momentummomentum

RotatingRotating nucleusnucleus hashas itsits ownown angularangular momentummomentum calledcalled SPINSPIN

NUCLEAR SPIN J (NUCLEAR SPIN J (angularangular momentummomentum ofof aa nucleusnucleus))

JJ isis aa fundamentalfundamental propertyproperty ofof naturenatureJJ comescomes inin multiplesmultiples ofof 1/21/2 andand cancan bebe ++ oror –– (1/2,(1/2, --1/2, 3/2, 5/2,1/2, 3/2, 5/2, --7/27/2……))ProtonsProtons,, electronselectrons,, andand neutronsneutrons havehave JJ = 1/2.= 1/2.

NuclearNuclear spinspin NuclearNuclear magneticmagnetic momentmoment

Nucleus is a charged object (due to protons) – rotating nucleusgenerates a magnetic field

NuclearNuclear magneticmagnetic momentmoment μ

μ = γ * JNuclear magnetic moment isstrongly associated with nuclearspin although it is not the same

μ - nuclearmagnetic moment

γ - gyromagneticratio

J – nuclear spin

Answer: No only these nuclei which have J > O

Unfortunately nuclei with even number of protons andneutrons have J=0 and therefore μ = 0

No magnetic moment means no chance for doing NMR /MRIie 12C, 16O, 56Fe

Pairs of protons (or neutrons) within a nucleus can canceleach other out, so that only nuclei with an odd number ofeither protons or neutrons will have a net magnetic momentHydrogen 1H 1 proton 0 neutronLithium 7Li 3 protons 4 neutronsCarbon 13C 6 protons 7 neutronsPhosphorus 31P 15 protons 16 neutrons

NuclearNuclear magneticmagnetic momentmoment μQuestionQuestion:: DoesDoes everyevery nucleusnucleus havehave aa magneticmagnetic moment ?moment ?

C136

P3115

Li73

H11

MagnetisationMagnetisation ofof a spina spin populationpopulation

No net magnetization

SpinSpin populationpopulation inin magneticmagnetic fieldfield

N

S

From a largenumber of spins

We need onlyconsider thedifference thatmakes themajority

And this we canrepresent as asingle vector M(M -vector sum of allspin magnetizationvectors in a volumeelement)

M

MagnetisationMagnetisation ofof a spina spin populationpopulation

MagnetisationMagnetisation ofof a spina spin populationpopulation

The ratio of induced magnetizationThe ratio of induced magnetization MM totothethe applied fieldapplied field BB00 is 10is 10--99 1010--1010

MM == BB00 -- magnetic susceptibility.magnetic susceptibility.

M

B0

MagnetiMagnetissationation ofof a spina spin populationpopulation

Energy

Magnetic field strength B0

Spins antiparallelhigher energyless stable

Spins parallellower energymore stable

N+ / N- = exp (-E/kT)

SpinSpin energyenergy inin MagneticMagnetic FieldField

Jądro obdarzone momentemmagnetycznym oddziałowuje z

zewnętrznym polem magnetycznym Bo

Zjawisko Precesji

B0

Precesja

0 = B0

B0 /T Jądro Częstość(MHz)

0.5 1H 211 1H 42

1.5 1H 631 13C 111 31P 17

M

Zjawisko precesji spinu odkryte przez Larmora w 1895r.

Rezonans

Częstość zmiennegopola magnetycznegoB1 (generowanaprzez impuls RF)

Częstość zewnętrzna (wymuszająca) = Częstości wewnętrznej systemu

fzewnętrzna = fwewnętrzna

=Częstości precesji(Larmora)magnetyzacji M wokółpola B0

1 = 0

BB1 ┴ BB0

Przykład rezonansuKatastrofa Mostu Tacoma

7 listopad 1940 r. USA

fwiatr = fmost

Gradient coil Main Magnet

RF Coil

B0

RFRF CoilsCoilsGenerate the B1 field whichfield which excitesexcites thethe spinsspinstoto resonanceresonance andand detect thedetect the resonanceresonancesignalsignal..

To excite the resonance the B1 field must beperpendicular to the main magnetic field B0..

Application of RF pulse

Rodzaje cewek RF(generujących pole B1)

Doty Scientific

powierzchniowe

objętościowe

macierze NRC-IBD

GE

Philips G. C. Wiggins et al. 2005

GdaGdańńsk 1sk 1 –– 3.06.20063.06.2006 ESMRMBESMRMB SchoolSchool ofof MRI 2006MRI 2006

Cewka RFCewka RFtyputypu „„BirdBird CageCage””dla systemu 3Tdla systemu 3T

Dzięki uprzejmości prof. B.Tomanka – NRC Canada

Czasy Relaksacji

RF Excitation

Energy IN

RF Pulse

y

x

z,B0

M

Mz

B1

Mx,y

0

z,B0

x

y

M

M0

Mx,y

T1

T20

Energy OUT

TransverseMagnetizationDecays

LongitudinalMagnetizationRecovers

Relaxation proceses (Recovery)

Detekcja sygnaDetekcja sygnałłu MRu MR

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Surowy sygnał(FID free induction decay)

z

y

x

Jak przetworzyć surowy sygnałMR aby był bardziej czytelny?

Surowy sygnał MR (FID)

Transformata Fouriera

„Ładny” sygnał

Sygnał MR przed i po transformacie Fouriera

Area under the curve, amplitude, are proportional to the number ofnuclei in the sample

The NMR signal width related to the transversal relaxation

Additional widening of the curve due to molecular motions, tunellingeffects , various couplings and interactions

* = 2/T2

0

NMR Signal and its parameters

Co możemy odczytać z sygnału MR ?

N

S

C C OHH

HH

H

H

FIDCH3

FIDCH2FIDOH

AA liquidliquid: C: C2H5OH

GdaGdańńsk 1sk 1 –– 3.06.20063.06.2006 ESMRMBESMRMB SchoolSchool ofof MRI 2006MRI 2006

Spektroskopia MR etanolu CH3CH2OH

-OH

-CH2 -

-CH3

Jak otrzymać obraz MR?

O tym w części drugiej

Podziękowania

Prof.Andrzej JasińskiDr Tomasz SkórkaDr Sylwia Heinze-PaluchowskaMgr Krzysztof JasińskiMgr Anna MłynarczykDr Katarzyna Majcher

Prof. Klaas PruesmannDr Michael Wyss

Prof.Boguslaw Tomanek

Dr Wladyslaw WeglarzDr Tomasz BanasikDr Piotr KulinowskiDr Artur KrzyżakMgr Urszula TyrankiewiczMgr Grzegorz Woźniak

Prof. Andre JESMANOWICZ Medical College Wisconsin, USADr. Christian KREMSER Innsbruck Medical University, AustriaProf. Ludvikas KIMTYS Vilnius University, Lithuania

DziDzięękujkujęębardzobardzo

za uwagza uwagęę