mri

5/12/2018 MRI - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/mri5571fe1d49795991699aa981 1/10

6. Pencitraan Resonansi Magnetik

6.1 Pendahuluan

Pencitraan resonansi magnetik atau MRI (Magnetic Resonance Imaging ) adalah

salah satu teknik pencitraan terpenting dalam dunia kedokteran. Didalam MRI,

inti atom dari suatu benda (mis. tubuh manusia) digetarkan oleh gelombang

radio, dan kemudian resonansinya ditangkap oleh suatu sensor. Frekuensi

resonansi ini bergantung pada jenis atom. Dengan teknik tertentu, koordinat

asal dari (sekumpulan) inti atom yang beresonansi bisa diketahui, sehingga

distribusinya dalam ruang (dan waktu) dapat ditentukan.

Mesin MRI modern berkekuatan 2 Tesla buatan GE

MRI didasarkan pada fenomena resonansi magnetik inti atau NMR (Nuclear

Magnetik Resonance ), yang diamati pertamakali pada tahun 1946 oleh dua

orang Fisikawan secara terpisah, yakni Felix Bloch di Universitas Stanford dan

Edward Mills Purcell dari Universitas Harvard. Pada tahun 1952, keduanya

dianugerahi Hadiah Nobel bidang Fisika karena penemuan fenomena ini.

Pemetaan distribusi ruang-waktu dari inti atom sehingga bisa memberikan

citra-citra irisan suatu benda dimungkinkan karena pengkodean spasial. Teknik

ini memanfaatkan gradien dari medan magnetik tetap untuk menentukan

bagian tertentu dari benda yang distimulasi. Pengkodean spasial, yang semula

dinamakan sebagai zeugmatography , ditemukan oleh Paul Lauterbur dari

Unviersitas Illinois pada tahun 1972. Teknik ini dikembangkan lebih lanjut lagi



oleh Peter Mansfield sehingga teknik pencitraan yang cepat bisa dibuat.

Lauterbur dan Mansfield mendapatkan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2003.

Press Release panitia Nobel 2003

• Paul Lauterbur (born 1929), Urbana, Illinois, USA, discovered thepossibility to create a two-dimensional picture by introducing

gradients in the magnetic field. By analysis of the characteristics

of the emitted radio waves, he could determine their origin. This

made it possible to build up two-dimensional pictures of structures

that could not be visualized with other methods.

• Peter Mansfield (born 1933), Nottingham, England, further

developed the utilization of gradients in the magnetic field. He

showed how the signals could be mathematically analysed, which made

it possible to develop a useful imaging technique. Mansfield also

showed how extremely fast imaging could be achievable. This became

technically possible within medicine a decade later.

6.2 Prinsip Resonansi Magnetik

Inti-inti atom dapat dipandang sebagai suatu muatan listrik yang berputar.

Dengan demikian, inti atom merupakan sebuah magnet kecil. Dalam suhu ruang

dan tanpa medan megnetik dari luar, arah magnet inti ini bersifa acak sehingga

secara total kemagnetannya tidak teramati. Jika benda ini berada dalam medan

magnet BB

Y

Z

J atau μ

X

B0

0, maka arah magnet dari inti akan sejajar dengan medan magnet ini

sehingga benda menjadi termagnetisasi dan menghasilkan magnetisasi netto M.

Gambar 6.1 (a) Dipol magnet inti dan (b) presesi dipol magnet

|B0|•γ•t

J dan

μ



Biasanya M ditimbulkan oleh elektron orbital, tapi ada sebagian lagi oleh

Magnetisasi Nuklir/Inti. Inti atom memiliki momen magnet dipol μ, dan

momentum sudut J, dimana |μ|/|J| = γ, nisbah giromagnetik. Untuk atom

hidrogen, nilai dari nisbah giromagnetik adalah 43 MHz/T. Magnetisasidari inti diperlihatkan pada Gambar 6.1 (a).

Dengan adanya medan magnetik dari luar BB0, inti atom akan mengalami gerak

gasing atau presesi di sekitar B0B . Frekuensi presisi ini disebut sebagai frekuensi

Larmor, yang besarnya adalah

0 L f γ = B (frekuensi Larmor)

Untuk medan magnet sebesar |B0| =1.5 T, inti atom hidrogen akan berpresesi

dengan frekuensi sebesar f L = 43×1.5 MHz = 64MHz.

6.3 Ciri-ciri MRI

Beberapa ciri penting dari MRI yang membedakannya dari pencitraan tomografi

lainnya adalah sebagai berikut:

• Ciri-1: Keluaran pemindai MRI berupa larik data/citra multidimensi,

merupakan distribusi spasial dari kuantitas fisik yg diukur. Bedanya dengan

pencitraan tomografi yang lainnya adalah: MRI dapat menghasilkan irisan

citra 2D pada semua arah, citra 3D volumetrik, bahkan citra 4D (3 ruang+1

spektrum). Semuanya tanpa penalaan mekanis.

• Ciri-2: Sinyal MRI datang dari objek itu sendiri. Ini mirip PET dan SPECT,

tetapi tanpa injeksi radioisotop ke tubuh pasien.

• Ciri-3: MRI bekerja pada daerah frekuensi radio (RF), tak ada efek ionisasi yg

menimbulkan bahaya. Resolusi dari MRI tidak dibatasi pada frekuensi kerja

seperti pada penginderaan jarak jauh dengan radar.

• Ciri-4: citra MRI kaya akan informasi: kerapatan spin inti ρ, waktu relaksasi

spin-kisi T1, waktu relaksasi spin-spin T2, gerakan molekuler, efek

suseptibilitas, pergeseran kimiawi. Juga dengan pengubahan parameterwaktu-ulangan (TR), waktu gema (TE) dan sudut putar ( α). Lihat Gambar 6.2.



Gambar 6.2 Penampang lintang kepala hasil eksitasi deretan spin-echo: (a) kontraskerapatan spin (TE = 17 ms, TR=2000 ms), (b) kontras T1 (relaksasi spin-kisi, TE = 18 ms,

TR=400 ms), dan (c) kontras T2 (relaksasi spin-spin, TE = 80ms, TR=2500 ms),

Pada gambar 6.2 terlihat bahwa untuk irisan citra yang sama, dapat dihasilkan

berbagai citra dengan sifat-sifat yang tergantung dari parameter yang diambil

(arti dari parameter-parameter ini akan dijelaskan secara rinci kemudian). Lebih

lanjut lagi, dengan teknik tertentu, aliran fluida di dalam tubuh bisa diamati. Ini

diperlihatkan pada Gambar 6.3 berikut ini.

Gambar 6.3. Penekanan sinyal dari spinstasioner menghasilkan gambar angiografik

dari aliran darah.

Gb.6.4. Citra MRI irisan kepala

Selanjutnya pada Gambar 6.4 diperlihatkan citra MRI irisan kepala. Pada citra

ini bisa diamati hal-hal berikut ini:

o Tulang dan udara tidak kelihatan.

o Lemak dan jaringan marrow terang.



o Otot berwarna gelap.

o Urat nadi terang.

o Grey matter lebih gelap daripada white matter .

Kontras MRI bisa muncul karena setiap jaringan memiliki T1 dan T2 yang khas,misalnya substansi abu-abu (gray matter) memiliki T1= 810 ms dan T2= 101 ms,

sedangkan substansi putih (white matter ) memiliki T1= 680 ms dan T2= 92 ms.



6.4 Komponen Peralatan MRI

Mesin MRI memiliki tiga buah komponen utama yaitu magnet utama, sistem

gradien dan sistem RF. Magnet utama berupa magnet resistif (<0.15 T),

permanen (0.3 T) atau superkonduktif (> >). Fungsinya adalah sebagai

pembangkit medan magnet seragam B0 agar spin terpolarisasi. Sistem Gradien

terdiri atas tiga lilitan saling tegak lurus yang berfungsi untuk membangkitkan

medan berubah waktu (pulsa) yang keragaman spasialnya bisa diatur. Penting

untuk melokalisir sinyal. Sedangkan sistem RF terdiri dari lilitan pengirim dan

penerima. Lilitan pengirim membangkitkan medan magnet berputar B1 untuk

meng-eksitasi sistem spin. Penerima mengubah megnetisasi yang ber-presesi

menjadi sinyal listrik. Bisa jadi hanya ada satu lilitan: transceiver.

(a) (b) (c)

Gb 6.5 Tiga komponen utama mesin MRI : (a) Magnet utama, (b) sistem gradiendan (c) sistem RF

B0

B

B0B0



Gambar 6.6. Diagram blok sistem MRI

Diagram blok dari sistem MRI yang menghubungkan berbagai komponen

diperlihatkan pada Gb. 6.6. Khususnya pada sistem penerima RF, terlihat

adanya demodulator kuadratur yang memberikan sinyal kompleks I + (√-1)Q.

Hal ini perlu diperhatikan dalam pengolahan sinyal MRI, seperti yang

diperlihatkan pada Gb. 6.7 .

Gambar 6.7 Sistem pengolahan sinyal MRI

Pada Gb 6.7. terlihat bahwa sinyal yang diterima oleh sistem RF adalah sinyal

dalam ruang-k , dengan demikian gambaran fisik dari irisan benda tidak bisa

dilihat langsung. Setelah di-transformasi dengan DFT, kita dapat melihat irisan

dari benda. Dengan demikian, kita bisa menggambarkan tahapan pengolahan

sinyal pada sistem MRI seperti diperlihatkan pada Gb.6.8 berikut ini.

_________________

_________________

_________________

_________________ _________________

_________________

_________________

A

B

C

D E

Excitation

K Space

⇐ DFT ⇒

ExcitationRF pulse

Gz

GX

Gy

Slice Selection

Phase Encode

Readout

RF Detected Signal

Image Space

‘Real numbers’

Coherent detectorComplex numbers

I + jQ



Gambar 6.8 Tahapan pengolahan sinyal dalam MRI

Dari blok diagram terlihat terjadinya 2 transformasi

• Transformasi I: persamaan pencitraan, mengatur tata cara pengumpulan

data percobaan. (forward problem ).

• Transformasi II: persamaan rekonstruksi citra, menggunakan data hasil

pengukuran untuk menyusun citra. (inverse problem )

( ) ( ) ( ) xy M S t S k I μ → → → → → xrr r

r r

momen magnetik inti mikroskopik → magnetisasi benda → magnetisasi transversal →

sinyal listrik → sinyal dalam ruang-k → citra yang diinginkan

Tahapan akuisisi data dan pengolahan sinyal dapat dirangkum sebagai berikut.

Konversi momen magnetik inti mikroskopik menjadi besaran makroskopis

magnetisasi benda dicapai dengan memberikan medan magnet B0. Selanjutnya

dari magnetisasi benda diperoleh magnetisasi transversal dengan cara eksitasi

gelombang RF. Magnetisasi transversal ini diubah menjadi sinyal listrik dengan

cara deteksi sinyal yang didasarkan pada hukum Faraday. Sinyal yang

ditangkap ini adalah data-data dalam ruang-k yang diperoleh karena

penggunaan gradien medan magnet. Gradien ini mengkodekan informasi spasial

menjadi tanggapan transien sistem spin akibat RF. Pada tahap akhir, sinyal



dalam ruang-k diubah menjadi citra irisan yang diinginkan melalui roses

rekonstruksi citra.

6.5 Rekonstruksi Citra MRI Ada dua permasalahan mendasar dalam rekonstruksi citra MRI, yakni:

o Rekonstruksi dari cuplikan Transformasi Fourier

o Rekonstruksi dari cuplikan Transformasi Radon

Secara sederhana bisa dirangkum bahwa, jika ruang-k dicuplik secara rectilinier

(persegi empat) maka dipakai transformasi Fourier, sedangkan jika dicuplik

secara radial maka transformasi Radon-lah yang harus diterapkan. Ilustrasi

pencuplikan pada ruang-k ini diberikan pada Gb .6.9 berikut ini.

Gb.6.9 Pencuplikan pada ruang-k secara (a)rektilinier dan (b) radial.

Permasalahan rekonstruksi dari cuplikan Fourier dapat diformulasikan sbb.

Diberikan , dimana kn ∈D, tentukan citra yang diinginkan

I(r). Dalam hal ini D mengandung himpunan titik-titik dalam ruang-k . Untuk

kasus dimensi-satu, dengan pencuplikan seragam, maka D={k

( ) ( ) 2 n j

nS I eπ − ⋅= ∫ k r

k r d r

n =n Δk , n =…,-2,-

1,0,1, ..}. Selanjutnya formula rekonstruksi diberikan oleh

[ ] 2 1 j n kx

n n

nS n e I x

k k

π ∞ ∞

Δ

=−∞ =−∞

⎛ ⎞= −⎜ ⎟Δ Δ⎝ ⎠∑ ∑

Citra diskrit I diperoleh dari cuplikan S dengan menerapkan formula

[ ] ( ) ( ) [ ]1

2

0

2 1 1 2 N

m n j nm N

n

I m N S n N eπ

−

=−

− = − − −∑



Rekonstruksi ini dapat digambarkan dalam diagram blok pada Gb. 6.10 berikut

ini.

S[n]

Gb. 6.10 Diagram blok rekonstruksi Fourier citra MRI

Rekonstuksi Radon telah dijelaskan pada Bab terdahulu dan sekilas akan

diulang pada bagian ini. Rekonstruksi ini disebut juga rekonstruksi dari proyeksi.

Masalah dapat diformulasikan sbb. Diberikan ( ) { } ( ) ( ),n

P p R I I p dr μ δ = = − ⋅∫ r μ r ,

tentukan I(r ), dimana (p,μ) ∈D, dengan D mengandung himpunan titik dalam

ruang Radon, sedangkan μ adalah vektor satuan arah. Bebera teknik

rekonstruksi yang dikenal adalah:

o Metoda backprojection langsung

o Metoda filtered-backprojection

o Rekonstruksi Fourier Langsung

o ART: Algebraic Reconstruction Techniques

Detail dari metoda diatas sudah dijelaskan pada Bab terdahulu.

×

(-1)n

FFT × I[n]

(-1)m

mri

Documents