Fys-Kjm 4740MR-teori og medisinsk diagnostikk

Magnettomografi-del

Introduksjon

Kjell-Inge Gjesdal, Sunnmøre MR-klinikkk.i.gjesdal@ioks.uio.no

992 58 921

UIO Fys-Kjm 4740

Litteratur og undervisningsmateriale:

- ”Magnetic Resonance Imaging” Theory and Pratice

Marinus T. Vlaadingerbroek Jacques A. den Boer

- Forelesningsnotater primært i form av powerpoint presentasjoner

- Labpresentasjoner og øvelser

UIO Fys-Kjm 4740

Teori del:

- Målsetning og motivasjon for kurset- Noen få medisinske uttrykk- MR-fysikerens oppgaver- Historikk- Hardware oversikt- MRI maskinens muligheter- MRI ”light”- Kapitel 1-7 i Vlaardingerbroek

UIO Fys-Kjm 4740

UIO Fys-Kjm 4740

Målsetting og motivasjon

Målsetting og motivasjon

- Utvide kurstilbudet ved Fysisk og Kjemisk institutt

- Skape interesse for både hovedfags studier og

doktorgrads studier - Legge grunnlag for flere MR fysikere på norske

sykehus- Legge grunnlaget for rekruttering til industri- Legge grunnlaget for rekruttering til forsknings

institusjoner

- Tilby kurs for profesjonelle helsearbeidere

UIO Fys-Kjm 4740

Målsetting og motivasjon

UIO Fys-Kjm 4740

UIO Fys-Kjm 4740

Noen få medisinske uttrykk

Noen få medisinske uttrykk

UIO Fys-Kjm 4740

• Nevrologi: Hode og rygg (nervebaner)• Kardiologi: Hjerte• Thorax: Brystområdet (hjerte, lunge)• Ortopedi: Muskler, skjelett, ledd• Gastrologi: Organer i magen (lever, nyrer, bukspyttkjertel, milt) og tarm• Nefrologi: Nyrestudier• Angiografi: Fremstilling av blodårer• Gynokologi: Kvinnens underliv• Urologi: Mannens underliv (blære, prostata

Noen få medisinske uttrykk

UIO Fys-Kjm 4740

• Radiolog: Lege spesialist i røntgenfaget. Tolker bilde- materialet.

• Radiograf: Utfører avbildningene. 3års fagutdanning

• Coronalt

Noen få medisinske uttrykk

UIO Fys-Kjm 4740

• Axal eller transversal

• Sagital

• Oblique: Dreid snitt i et plan

• Dobbel Oblique: Dreid snitt i to plan

Noen få medisinske uttrykk

UIO Fys-Kjm 4740

Thorakal 12 virvler

Lumbal 5 virvler

Cervical 7 virvler

Sacralt 5 virvler

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

- Rådgiver ved innkjøp av nytt utstyr og oppgradering av

gammelt

- Innsikt/kunnskap i maskinens parameter valgmuligheter

- Optimaliserer undersøkelsesprotokoller

- Oversikt over teknologiutviklingen

- Primærleverandør av protokollforslag i forskning og klinikk

- Drive egenforskning og delta i forsknings team

- Teknisk og fysisk kvalitetskontrollør

Arbeids oppgaver:

MR-fysikerens oppgaver

UIO Fys-Kjm 4740

- Primær vurderer/underviser når det gjelder sikkerhets-

aspekter ved bruk av MR.

- Drive postprosessering av bilde data

- Teoretisk innsikt og forståelse

- Analyser MRS spekter

- Forklare bilde artefakt

- Underviser ved lokale og nasjonale MR-kurs

Arbeids oppgaver:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Innkjøp:

• Vurdere innholdet av de ulike leverandørers software pakker

• Vurdere maskinenes hardware performance

• Evaluere firmaet service avtale og service kvalitet

• Få informasjon om leverandørs vilje til å gi tilgang til kilde- koder og programmerings verktøy

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Parameter innsikt:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sekvens innsikt:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sekvens manipulering:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sekvens manipulering:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sekvens/protokoll innsikt:

Bloch likninger

dMx

dt= (M B)x -

Mx

T2

dMy

dt= (M B)y -

My

T2

dMz

dt= (M B)z + M0 - Mz

T1

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Bloch simuleringer

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Bloch simuleringer

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Bloch simuleringer

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sekvens/protokoll innsikt:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sikkerhet:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Sikkerhet:

Post prosessering:

• Generere 3D modeller

• Beregne volum

• Generere parametriske bilder av perfusjons studier

• Fusjonere ulike modalitets data

• Estimere funksjons data

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Post prosessering:

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Post prosessering:

Dynamisk opptak av kontrastmiddel

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Post prosessering:

Sig

nal

Time

UIO Fys-Kjm 4740

MR-fysikerens oppgaver

Post prosessering:

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Historikk

Tumor deteksjon ved hjelp av NMR

“Spin echo nuclear magnetic resonance measurements may be used as a method for discriminating between malignant tumors and normal tissue. Measurements of spin-lattice (T1) and spin-spin (T2) magnetic relaxation times were made in six normal tissues in the rat (muscle, kidney, stomach intestine, brain and liver) and in two malignant solid tumors, Walkers sarcoma and Novikoff hepatoma. Relaxation times for the two malignant tumors were distinctly outside the range of values for the normal tissues studied.................”

Raymond DamadianScience 171:1151, 1971

UIO Fys-Kjm 4740

Raymond Damadian

UIO Fys-Kjm 4740

Tumor deteksjon ved hjelp av NMR

Muskel Lever Mage Tynntarm Nyrer Hjerne

T1 T2 T1 T2 T1

293 ms 52ms538 ms 55ms 270 ms

T1

257 ms

T1

480 ms

T1

595 ms

Walker sarkom Novikoff hepatoma

T1 T2

736 ms 100ms

T1 T2

826 ms 118ms

B0 = 0.561 Tesla

Historikk

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Raymond Damadian

Damadian bygger på midten av 70-tallet den første helkropps skanner og tar i 1977det første MRI bildet av menneske kroppen.

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Zeugmatografi

Image Formation by Induced Local Interactions: Examples EmployingNuclear Magnetic Resonance.

Paul Lauterbur Nature 242:190, 1973

Første MRI bilde

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Zeugmatografi

I Lauterburs artikkel foreslås det for første gang å anvende magnetfelt gradienter kombinert med et homogent magnetfelt og radiopulser for å skape et NMR signal med romlig informasjon. Kombinasjonen av radiopulser og gradient felt kalte Lauterbur “Zeugmatografi”, fra gresk: “det som blir brukt for å bringe sammen”.

Paul Lauterbur

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

x

Sig

na

l

Bruk av magnetfelt gradientenmedfører at resonans frekvensener avhengig av posisjon (x). Vedå bruke flere projeksjoner (1-D)kan et 2-D bilde genereres.

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Klassifisering av bildeteknikker

- Punkt måling

- Linje måling

- Plan måling

- Volum måling

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Punkt måling

Et enkelt volum element blir eksitertog signalet fra dette elementet blirregistrert. For å danne et bilde må man eksitere alle elementene i etsnitt i sekvens.

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Punkt måling

Hinshaw’ sensitve point method

x

Gradienter blir brukt i alle treplan simultant. Kun i skjærings-punktet mellom gradientfelteneoppnås resonans. Det eksitertevolumelement forandres ved atstyrken på gradientene forandres.

y

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Punkt måling

Damadian’s Field Focusing NMR method (FONAR)

Salformetmagnetfelt

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Linje måling

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Mansfields Linje måling

x

gradient

RF-spekter

RF-spekter

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Plan måling

Fourier imaging

En multifrekvens RF-puls anvendes i kombinasjon med en gradient.RF-pulsens frekvens spekter er tilpasset resonans betingelsene skaptav gradienten. NMR signalet som blir generert inneholder det samme antall frekvensersom den opprinnelige RF-pulsen. Ved hjelp av en Fourier transformasjonkan man omgjøre frekvens til posisjon.

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Plan målingFourier imaging

f(x)

Sig

na

l

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

• 70-tallet brukes til å utvikle stadig mer effektive datainnsamlings og rekonstruksjons metoder

• I 1980 er den første skanner i daglig klinisk bruk ved universitetshospitalet i Aberdeen

• I 1979 publiserer Jim Hutchison i Aberdeen en metode som gir MR-signalet en kombinasjon av frekvens og fase informasjon. Rådata informasjonen konverteres ved hjelp av Fourier transformasjon til et MRI bildet. Metoden kalles ”spin-warp” imaging og blir standard avbildnings teknikk for alle scannere frem til i dag

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Mark 1, Aberdeen 1980 -

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Stavanger april 1986

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

Paul Lauterbur Peter Mansfield

Stockholm 2004

Nasjonalt:Offentlig og privat: Primært et nevrologi og ortopeditilbud

2005: 1maskin/52 000 innbyggere.

Nasjonal MR utbredelse

Antall

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk

86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 År

0

5

10

1

5

20

2

5

30

3

5

40

4

5

50

5 5

60

6

5

70

7

5

80

Internasjonal sammenligning

2000-tall (antall innbyggere/MR-enhet): Norge 111 000 Sverige 99 000 Danmark 167 000 Finland 99 000 Tyskland 72 000 Italia 128 000 Spania 115 000 England 189 000 Frankrike 330 000 Japan 37 000 USA 33 000

UIO Fys-Kjm 4740

Historikk/nåtid

UIO Fys-Kjm 4740

Hardware oversikt

RF kabinett

Gradientforsterkere

Shimkabinett

Magnet

Gradient spoler

RF spole

Shimspoler

Magnet oppbygningMagnet oppbygning

KontrastmuligheterCT: MR:

T1T2ProtontetthetDiffusjonPerfusjonTemperaturpHT2*FlowElastisitetMTCKontrastmiddelAtomnummerMolekylVevsundertrykking

15 ulike mekanismer

ElektrontetthetAtomnummer

2 ulike mekanismer

Muligheter/kompleksitet

UIO Fys-Kjm 4740

Teknisk kompleksitet (hode studium)

CT: MR:

15 protokoller12 parametervalg

322 protokoller60-80 parametervalg

Muligheter/kompleksitet

UIO Fys-Kjm 4740

Problem MR CT Ultralyd Rtg Akutt ? +++ + + Hode, svulst +++ ++ 0 0 Hode, blødning ++ +++ 0 0 Hjerneinfarkt +++ ++ 0 0 Blodårer, hode ++ ++ 0 +++ (angio) Blodårer, hals +++ +++ ++ +++ (angio) Hjerte ++ ++ + ++ (angio) Lunger ? +++ 0 + Lever +++ ++ + 0 Bukspyttkjertel ++ ++ + 0 Tarm (+) (+) (+) ++ Sentrale blodårer ++ ++ + +++ (angio) Perifere blodårer +++ (+) + ++ (angio) Muskler +++ (+) + 0 Skjelett, svulst +++ + 0 + Skjelett, brudd ++ ++ 0 ++ Ledd +++ ++ 0 ++ Nyrer, svulst ++ +++ ++ (+) Nyrer, funksjon +++ + + + Urinledere + + 0 ++ Rygg, prolaps +++ ++ 0 0 Rygg, skade + +++ 0 + Rygg, svulst +++ (+) 0 0 Kvinnelig bekken +++ + ++ 0 Mannlig bekken ++ (+) + 0

Vurdering av medisinsk bildediagnostikk: Dr.Med J.T. Geitung

+++Konkluderende

++Meget god

+Kan brukes

0Skal ikke brukes

MR beste metode

Muligheter

Hode

T1 vektet SE T2 vektet SE T1 vektet IR

Hode

Grå hjernesubstans Hvit hjernesubstans

Muligheter

Hode

- Diffusjon- Perfusjon- fMRI

Muligheter

Hode

Fasekontrast angiografi

Muligheter

Nakke/hals

T2 vektet cervical columna

Muligheter

Rygg

T1 og T2 vektet total columna

Muligheter

Abdomen

3D fremstilling av aorta og urinlederne

Muligheter

Nakke/hals

Angiofremstilling avhalskar

Muligheter

Rygg

Fremstilling av nerverøtterVed hjelp av fettsuppresjon

Muligheter

Thorax

Fremstilling av blodårer i Thorax

Muligheter

Thorax

3D fremstilling av blodårer i Thorax

Muligheter

Hjerte

Muligheter

Abdomen

Ulike kontrastvektinger gjennom abdomen

Muligheter

Abdomen

Fremstilling av tykktarm og tynntarm

Muligheter

Abdomen

Fremstilling av aorta og nyrearteriene

Muligheter

Abdomen

Fremstilling av aorta og urinlederne

Muligheter

Abdomen

Avbildning av foster

Muligheter

Ledd

Kneledd med vannseleksjons Fotledd med fettsuppresjon

Muligheter

Micro

Finger Øyepatologi

Muligheter

Macro

Helkropps MR, T2 og T1vektet

Muligheter

Macro

Underekstremitets angiografi

Muligheter