MRI TÖRTÉNELEM ÉS MRI ALAPOK

ÁTTEKINTÉS

Egy kis NMR, MRI történelem…

Fizikai alapok: spin és NMREszközök és biztonságFizikai alapok: kísérletekMiből tanuljunk?

MIÉRT TANULJUNK MRI FIZIKÁT?

Kreditpontért….KorszerűMegérteni, hogy mit látsz a képekenA VALÓDI tudomány és az ÁL-

tudomány elkülítéseenergia???nukleáris ???rezonancia???mágnes???

AZ MRI RECEPT

PáciensRengeteg gerjeszthető

spint tartalmaz

1. Páciens (víz + zsír = rengeteg spin)

2. Gerjessz (rádiofrekvenciás impulzus közlése a pácienssel)

3. Várj, amíg a gerjesztett spinek „relaxálnak”

4. Relaxáció során a spinek (víz + zsír = páciens) „visszaszólnak” ez az ECHO

ECHO

5. A visszasugárzott echot meghallgatjuk és rögzítjük (jel a k-space-ben)

Ismételd meg! Ezt hívják szekvenciának.

6. A jel dekódolása: képet alkottunk!

JEAN-BAPTISTE-JOSEPH FOURIER 1768-1830

Jean-Baptiste-Josepf Fourier: francia matematikus és fizikus

• termodinamikai kísérletek• minden hullám leírható

sinushullámok összességeként (megfelelő frekvencia, amplitudó, fázis)

SIR JOSEPH LARMOR1857-1942

ν = γ Bγh = 42.58 MHz/Tν: Larmor – frekvencia

Ír származású, Angliában működött.

A Cambridge-i Egyetem professzora.

Maxwell elektromagnetikus elméletét fejlesztette tovább, munkájának egyik eredménye az un. Larmor-formula. Ez a mágneses térben mozgó töltés gerjesztési frekvenciáját határozza meg.

γ az anyagra jellemző un. giromagnetikus állandó, B a külső mágneses tér erőssége.

Az MR képalkotás története

1946

Hatvanas évek

Bloch, Purcell – Nobel díj, 1952

Spektroszkópia

NMR jelenség

Ernst – Nobel díj, 1991

Hatvanas évekmásodik fele

Relaxometriaélő szövet

Hazlewood, Damadian, Ling…

1973

Rák detektálásaNMR-rel

Damadian, US Patent 3,789,832

Zeugmatography Lauterbur - Nobel díj, 2003

1972

NMR FourierZeugmatography

1975

1977. Július 3. 4:45 Az első képemberről

Ernst – Nobel díj, 1991

Damadian

1977 EPI Mansfield – Nobel díj, 2003

NOBEL-DÍJAK

Isidor Isaac Rabi (1898-1988)

1944 – 1944 – „az atommagok mágneses tulajdonságainak vizsgálatára kidolgozott rezonancia módszeréért”

Otto Stern (1988-1969) 1943 „a molekula-sugár

módszer kifejlesztéséért és a proton mágneses momentumának felfedezéséért”

AZ NMR MEGSZÜLETÉSE

1952 – Felix Bloch & Edward Mills Purcell

„a magmágneses preciziós mérések kifejlesztett új módszereiért és az ezekkel kapcsolatos felfedezésekért”

(1905-1983) (1912-1997)Stanford Harvard

Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. The nuclear induction experiment. Physical Review (1946), 70 474-85.

A VÍZ ELSŐ 1H NMR SPEKTRUMA

NMR SPEKTROSZKÓPIA

Richard Ernst 1991 – kémiai Nobel

díj „a nagy felbontású NMR

spektroszkópia kifejlesztéséért tett hozzájárulásáért”

Időben változó mágneses gradiensek,

Fourier-rekonstrukció

MAGNETIC RESONANCE IMAGING (MRI !)

2003 – Paul Lauterbur & Sir Peter Mansfield

(1929-2007) (1933-)

Damadian – 1972

Lauterbur – 1973 Nature

Indomitable1977.0,05-0,1 TSzupravezető54,43 kg

Damadian, Minkoff, Goldsmith

Damadian és a tekercs

Minkoff és a tekercs

Az első ismert emberi MR kép

1977. július 3. 4:45, Minkoff

Az első patológiás eset

Physiol. Chem. & Phys., 10:285-87, 1978.

Physiol. Chem. & Phys, 10:285-87, 1978.

Az első patológiás eset

Kísérleti MR berendezés a ‘70-es évekből

… az első zajos képek…

1987 - MRA

Háttér:

• az MRI érzékeny a mozgásra• szöveti mozgások, akár diffúzió

• mozgás -> ÁRAMLÓ VÉR

• Mindenféle kontrasztanyag alkalmazása nélkül!

AZ MRI ÖSSZEFOGLALÓ TÖRTÉNELME

1937 – I. I. Rabi: atommagok mágneses tulajdonságai (Nobel-díj 1944)

1946 – Felix Bloch, Edward Purcell : Nuclear Magnetic resonance (Nobel-díj 1952)

1971 – Raymond Damadian: egészséges és tumoros szövetek realxációs tulajdonságai különböznek.

1973 – Paul Lauterbur: első 2D NMR-képek (Nobel-díj 2003) 1973 – Peter Mansfield: kristályok 2D képe (Nobel-díj 2003) 1975 – Richard Ernst: fázis-frekvencia kódolás (Nobel-díj

1991) 1977 – Raymond Damadian: teljes test MRI 1980 – Egy kép – öt perc 1981 – Schering: Gd-DTPA dimeglumine 1986 – Denis LeBihan: diffúzió súlyozott képalkotás 1987 – Charles Dumoulin: MRA. 1993 – Funkcionális MRI

MRI berendezések beosztása az alkalmazott térerő alapján

NYITOTT MRI KÉSZÜLÉKEK

Intraoperatív MRI Nyitott MRI – pl. musculoskeletalis vizsgáltatokra

MRI KÉSZÜLÉKEK SZÁMA1980-AS ÉVEKTŐL AZ EZREDFORDULÓIG

MRI KÉSZÜLÉKEK ÉS VIZSGÁLATOK SZÁMA A VILÁGON

Magyarország: 2,8 MRI/millió fő – 31,3 vizsgálat/1000 főCsehország: 5,7 MRI/millió fő – 32,3 vizsgálat/1000 fő

(… OECD átlag: 12,2 MRI/millió fő – 46,6 vizsgálat/1000 fő…)

ULTRA LOW FIELD MRIAGYI FUNKCIONÁLIS VIZSGÁLATOKRALOS ALAMOS – ZOTEV – 2004.

LOS ALAMOS – VADIM ZOTEV – 2007.

46 μT

2 T

LOS ALAMOS – ZOTEV – 2004.

HIGH FIELD MR – 7T

HIGH FIELD MR – 7T PROJECT

9,4 T

16 T 21 T

SPINEK, MINT MÁGNESEK Az atommagot felépítő minden nukleon (azaz

proton és neutron is!) rendelkezik egy kvantumjellemzővel – ez a spin.

Egy atommag eredő spinje a spin kvantumszámával jellemezhető. Amennyiben a nukleonok párosítottak, akkor S = 0.

Az elektronpárokhoz hasonlatosan a spinek kedvező energiaállapota a párosított állapot, amely zéró eredő spint eredményez.

Csak azokon az atomokon végezhetünk NMR, illetve MRI kísérleteket, melyek párosítatlan spinnel rendelkeznek.

A MÁGNESES MAGREZONANCIA ALAPJAI

Körkörös mozgást végző töltések forgástengelyük irányában mágneses teret hoznak létre (indukció).

A forgó mágnesek elektromos töltést indukálnak.

Amennyiben a magalkotórészek párosával töltik ki a magpályákat, ellentétes spinűkből adódóan mágneses momentumaik kiegyenlítik egymást.

Párosítatlan nukleont tartalmazó atommagok rendelkeznek spin-momentummal.

Páratlan mag-spinnel rendelkező atomok mag-mágneses momentuma megfelelő mágneses térben rádióhullámokkal befolyásolható, a mágneses momentum változása mérhető.

LARMOR PRECESSZIÓ, LARMOR FREKVENCIA Precesszió: a körbeforgó test forgástengelyének

diszkrét változásai. Larmor precesszió (Joseph Larmor után):

elektronok, atomok, atommagok, nukleonok külső mágneses mező hatására létrejövő precesszáló mozágsa.

MIT VIZSGÁLUNK A HUMÁN MRI-VEL?

Klinikai MRI-vel leggyakrabban a hidrogén atommag precesszáló mozgását vizsgálhatjuk, mivel ez fordul elő messze legnagyobb számban a biológiai szövetekben.

Egyéb atommagok, mint pl. 13C, 19F, 31P, 23Na is rendelkeznek párosítatlan spinnel és vizsgálhatók, megjeleníthetők MRI-vel.(Számuk jóval szerényebb, mint a H. A rájuk jellemző giromágneses állandó alapján kiszámítható, hogy milyen Larmor frekvencián precesszálnak ezek az atommagok adott térerőn)

MI A MAGMÁGNESES REZONANCIA JELENSÉG? MAGMÁGNESES REZONANCIA (Nuclear magnetic

resonance - NMR): fizikai jelenség, mely során mágneses térbe helyezett atommagok elektromágneses hullámokkal (=energia) „besugarazhatók”, gerjeszthetők és a gerjesztésből származó energiát „visszasugározzák”. 

Ez az energiaátadás jellemző rezonancia frekvencián megy végbe (függ: a mágneses térerőtől és az atommagtól) 1.5T, proton: 63 MHz 3 T, proton: 125 MHz

Adott térerőn a rezonancia frekvencia jellemző az vizsgált atommagra. Ezt szokás az atommag Larmor-frekvenciájának is nevezni.

A képi felbontás nagyban függ a mágneses térerőtől.

HOGYAN TÖRTÉNIK AZ NMR KÍSÉRLET?

Alapvetően két fontos lépés zajlik: A magspinek rendezése a tér egy kitüntetett irányába,

egy konstans mágneses térnek megfelelően (H0). Ennek a rendezett állapotnak a megbontása egy

rádiofrekvenciás (RF) impulzussal. Ez függ a statikus mágneses mezőtől és a vizsgált protokoktól (frekvenciája kb. a protonok Larmor-frekvenciájának megfelelő).

ENERGIAÁTADÁS???EM – ELECTRO-MAGNETIC (PHOTONS/ELECTRONS)

GERJESZTÉS – ENERGIA KÖZLÉS

Energiaátadás, energiafelvétel -> magasabb energiállapotba kerülés

A Larmor frekvenciával közöl RF impulzust a spinek felveszik -> gerjesztett állapotba kerülnek

A spinek mágnesezettsége megváltozik, a precesszáló mágneses vektor kitér a forgó tengelyéből.

90º impulzus: ha a tengel éppen 90º-kal tér ki.

RENDEZETT SPINEK, PRECESSZÁLÁS

Gerjesztett spinek

RANDOM IRÁNYULTSÁGÚ SPINEK

RELAXÁLÓ SPINEK

FID, JEL

NAGY EREJŰ KÜLSŐ MÁGNESES TÉR

ENERGIAÁTADÁS RF ADÓ RÉVÉN

A SPINEK ELVESZTIK ENERGIÁJUKAT, RF JELET ADNAK

RELAXÁCIÓ – ENERGIA VESZTÉS Két kitüntetett komponens – szimultán történnek Gerjesztés: a Z komponens csökken, az XY komponens nő Ezután a spinek „lassan” visszarendeződnek eredeti állapotukba: a

Z komponens növekszik, az XY komponens csökken T1: a Z komponens növekedése („longitudinális relaxáció”). T1 relaxációs idő: Z komponens 63%-ra történő visszatérése

T2 RELAXÁCIÓ A 90 fokos RF impulzust követően az XY komponens megnő (‘in phase’). Az RF impulzus kikapcsolásakor az XY síkban történő mágnesezettség

csökken Ezt nevezzük T2 relaxációnak („transzverzális relaxáció”) A teljes visszarendeződéshez szükséges idő 63%-át nevezzük T2 időnek.

A

B

C

D

E

Idő

A

B

C

D

E

Idő

FREE INDUCTION DECAYFID FID: az elektromos jel, mait a vevő tekercsben

észlelünk Gerjesztést követően a spinek relaxálnak, ez adja

a FID csökkenő jelét.

Mi történik a „dobozban”?A k-tér

A k-tér K-tér: az MRI jelek nyers gyűjteménye Nyers jel: a hullámok tulajdonságait tartalmazza –

frekvencia/fázis mátrix) Középső területek: kontraszt Széli területek: részletek A diagnosztikus értékű képeket ebből számoljuk ki.

A k-tér

Full k-space Lower k-space Higher k-space

Full Image Intensity-Heavy Image Detail-Heavy Image

A k-tér

MRI esetén: cél, hogy a k-teret töltsük fel hasznos információval.

Ez hullámokban van kódolva (frekvencia, fázis, amplitudó)

A k-tér sorról-sorra kerül kitöltésre

MRI JELIMAIOS

OVERVIEW

MRI signal recording90 impulse180 impulseSpin echo

MRI ESZKÖZTÁR

TÉRERŐSSÉG

Általában: 0,2 – 3,0 T „The bigger the better”

Jobb SNR (signal-to-noise ratio, azaz jel-zaj arány)

Jobb spektrális felbontás

PERMANENS MÁGNESEK

Alacsony térerő (0,064-0,3 T) Nehéz

20-30 tonna vas (Fe 26) 5 tonna neodymium (Nd 60)

Előny Nyitott mágnes Alacsony energiafogyasztás

REZISZTÍV MÁGNESEK Hatalmas elektromágnes Energiaellátás szükséges Magas hőmérséklet

50 kW – 0,15 THŰTÉS!

Térerő: max. 0,3 T Instabil Ki lehet kapcsolni

SZUPRAVEZETŐ MÁGNESEK

Nobium/titanium ötvözetSzuprevezetés: 10 0KHűtés: folyékony He (4 0K)

Hélium!Stabil, homogénA mágnes mindig be

van kapcsolva

Superconducting magnet

Vaccuum tube

Liquid helium+shielding

MRI BIZTONSÁG

Mit tegyünk????

• MR-safety.com• MR-kompatibilis ezsközök! • Belső használatú eszközök (tolószék, betegágy!!!!)

QUENCH!!!!

QUENCH~100 liter folyékony hélium…10.000 $

http://youtu.be/9SOUJP5dFEg

MRI KOMPATIBILIS ESZKÖZÖK

Pacemaker Agyi stimulátrok Stentek, coilok, műbillentyűk, stb. mri-safety.com

MIBŐL TANULJUNK? IMAIOS

MIBŐL TANULJUNK? OKTATÁSI SEGÉDANYAGOK

MRI jegyzet 2011. Debrecen Vandulek Csaba-féle MRI jegyzet Terranova efNMR/MRI berendezés Humán MRI berendezések…