Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin Jukka Jauhiainen Yliopettaja FT

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 1 H • 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 B 0=1, 5 T

Koordinaatisto z B 0 Mz M 0 Mxy x (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 – 2010 y

Selityksiä • • M 0 = nettomagnetoitumavektori Mz = z-akselin suuntainen komponentti Mxy = xy-tason komponentti B 0 = 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, T 1 ja T 2 relaksaatio (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010

Relaksaatioajat T 1 ja T 2 – T 1 -relaksaatio: Kuvaa sitä, kuinka nopeasti zakselin suuntainen komponentti Mz palautuu – T 2 -relaksaatio: Kuvaa sitä, kuinka nopeasti komponentti Mxy häviää eli kuinka nopeasti spinit epävaiheistuvat xy-tasossa – Nämä prosessit ovat riippumattomia toisistaan – T 1 ~ sekunteja, T 2 ~ 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=g. B, 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

T 2 -relaksaatio • Vokselin sisällä tapahtuvaa spinien epävaiheistumista sanotaan T 2 relaksaatioksi. • Sekä T 1 - että T 2 -relaksaatio alkaa vaikuttaa heti, kun RF-viritys loppuu. • T 1 -relaksaatioaika on 1, 5 T kentässä sekunteja • T 2 -relaksaatioaika on millisekunteja (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010

Kuvan kontrasti • MAGNEETTIKUVAN KONTRASTI SYNTYY SIITÄ, ETTÄ ERI KUDOKSILLA ON TOISISTAAN POIKKEAVAT T 1 - ja T 2 RELAKSAATIOAJAT • Relaksaatioaikojen lisäksi kontrastiin vaikuttaa suhteellinen protonitiheys (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010

Tyypillisiä kudosparametrien arvoja 0, 15 T kentässä (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010

Kuvanmuodostus • Staattiseen B 0 -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=g. B, 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, Putken keskikohta Suuri taajuus Gradientti Pieni kenttä, pieni taajuus (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 - 2010 B 0 (vakio)

END OF PART ONE. . . (C) Jukka Jauhiainen / OAMK Tekniikan yksikkö / 2001 -2010