MRIMRIفيزيك فيزيك

By: Dr.A.Nickfarjam

MRIMRIسخت افزار سخت افزار مگنت �

كويلهاي گراديان �

RFتجهيزات الكترونيكي �

كامپيوتر براي تجزيه و تحليل داده ها �

MRI By:Dr.Nickfarjam 2

مگنتمگنتنياز به ميدان مغناطيسي استاتيك همگن نياز به ميدان مغناطيسي استاتيك همگن ��

))تسالتسال 0/30/3((مگنت دائميمگنت دائمي��عدم امكان خاموش كردن عدم امكان خاموش كردن ��

نياز به مراقبت كمترنياز به مراقبت كمتر��

عدم نياز به ماده سرمازا عدم نياز به ماده سرمازا ��

))تسالتسال 22تا تا 0/10/1((مگنتهاي مقاومت الكتريكيمگنتهاي مقاومت الكتريكي�� ))تسالتسال 22تا تا 0/10/1((مگنتهاي مقاومت الكتريكيمگنتهاي مقاومت الكتريكي..جريان الكتريكي عبوري از يك سيم توليد ميدان مغناطيسي مي نمايدجريان الكتريكي عبوري از يك سيم توليد ميدان مغناطيسي مي نمايد��

))تسالتسال 44تا تا 0/10/1((مگنتهاي ابررسانا مگنتهاي ابررسانا ��درجه كلوين درجه كلوين 88تا تا 44دماي دماي ��

خنك نمودن با هليم يا نيتروژن مايع خنك نمودن با هليم يا نيتروژن مايع ��

كاهش توليد حرارت بدليل كاهش مقاومت كاهش توليد حرارت بدليل كاهش مقاومت ��

) ) تسال توصيه ميشودتسال توصيه ميشود 33تا تا 22((تسالتسال 44امكان رسيدن به ميدان امكان رسيدن به ميدان ��

. . از مگنتهاي ابررسانا استفاده مي كننداز مگنتهاي ابررسانا استفاده مي كنند MRIMRIدستگاههاي دستگاههاي % % ��9090

گرانتر و هزينه نگهداري باال گرانتر و هزينه نگهداري باال ��

MRI By:Dr.Nickfarjam 3

مگنت ابر رسانا مگنت ابر رسانا

حفره هليم حاوي كويل ابر رسانا

خال

4MRI By:Dr.Nickfarjam

مگنت ابر رسانا مگنت ابر رسانا

��� ����

B0

100cm 0 Ô 4T

80cm 0 Ô 8T

5MRI By:Dr.Nickfarjam

تزريق هليوم به دستگاه تزريق هليوم به دستگاه درجه كلوين در اطراف سيم پيچها 10توانايي كاهش دما به زير

ميليون تومان 120حدود )=تومان به ازاي هر ليتر 66000(ليتر هليوم مايع 1700: نياز يك دستگاه

MRI By:Dr.Nickfarjam 6

نكات مهم در ارتباط با مگنتنكات مهم در ارتباط با مگنت

يكنواختي ميدان يكنواختي ميدان ��

ZZكاهش تغييرات ميدان در راستاي محور كاهش تغييرات ميدان در راستاي محور ��

ShimShimاستفاده از كويلهاي استفاده از كويلهاي ��

كمك به بهبود يكنواختي ميدان كمك به بهبود يكنواختي ميدان كمك به بهبود يكنواختي ميدان كمك به بهبود يكنواختي ميدان ��

ميدان هاي جانبيميدان هاي جانبي��

ميدان خارج از محدوده مگنتميدان خارج از محدوده مگنت��

كاهش ميدان تا حد ممكن خارج از ناحيه تصويربرداري كاهش ميدان تا حد ممكن خارج از ناحيه تصويربرداري ��

MRI By:Dr.Nickfarjam 7

كويلهاي گراديان كويلهاي گراديان

توليد ميدان مغناطيسي متغير با مكان توليد ميدان مغناطيسي متغير با مكان ��

. . قدرت گراديان تعيين كننده رزولوشن دستگاه مي باشدقدرت گراديان تعيين كننده رزولوشن دستگاه مي باشد��

رزولوشن باالتررزولوشن باالتر==اساليس نازكتراساليس نازكتر= = گراديان باالترگراديان باالتر��

mTmT/m/m 10 10: : مقدار استاندارد مقدار استاندارد ��

zzو و yyو و x xكويلهاي متفاوت براي محورهاي كويلهاي متفاوت براي محورهاي �� و و و و كويلهاي متفاوت براي محورهاي كويلهاي متفاوت براي محورهاي

MRI By:Dr.Nickfarjam 8

نكات مهم در ارتباط با كويلهانكات مهم در ارتباط با كويلها

زمان سوييچينگ كوتاه زمان سوييچينگ كوتاه ��

كوتاهترين زمان براي رسيدن به حداكثر قدرت گراديان ميدانكوتاهترين زمان براي رسيدن به حداكثر قدرت گراديان ميدان��

تاثير ميدان خارجي روي دقت گراديانهاتاثير ميدان خارجي روي دقت گراديانهاتاثير ميدان خارجي روي دقت گراديانهاتاثير ميدان خارجي روي دقت گراديانها��

MRI By:Dr.Nickfarjam 9

RFRFفرستنده و دريافت كننده فرستنده و دريافت كننده

: فرستنده�

مي نمايدRFكامپيوتر توليد توالي پالسهاي الكتريكي براي توليد �

، توليد موج الكترومغناطيسي مي نمايد RFجريان �

گيرنده �

.كه توسط گيرنده دريافت مي شود، جرياني در گيرنده القا مي كند RFسيگنال �

. اين سيگنال براي پردازش به كامپيوتر مي رود� . اين سيگنال براي پردازش به كامپيوتر مي رود�

انواع كويل�

كويلهاي حجمي�

ميدان يكنواخت �

كويلهاي سطحي �

ميدان غير يكنواخت �

بهبود حساسيت �

. بطور معمول كويلهاي حجمي فرستنده و كويلهاي سطحي دريافت كننده اند�

MRI By:Dr.Nickfarjam 10

88--Channel Head CoilChannel Head Coil

MRI By:Dr.Nickfarjam 11

88--Channel knee CoilChannel knee Coil

MRI By:Dr.Nickfarjam 12

Surface coil Surface coil

MRI By:Dr.Nickfarjam 13

Phase array coilPhase array coil

نوعي كويل سطحي�

افزايش سرعت تصوير برداري و بهبود جزئيات �

MRI By:Dr.Nickfarjam 14

محدوده فركانسيمحدوده فركانسيω = γB0

� If γ is in terms of MHz/T, then ω (or, actually, the linear frequency f) is expressed in terms of MHz.

� The gyromagnetic ratio γ is a proportionality constant that is fixed for the nucleus with which we're dealing. For hydrogen protons, γ(H) = 42.6 MHz/T.

� If the magnetic field strength is 1 T, the precessionalfrequency of hydrogen is

(42.6)(1) = 42.6 MHz

� As the external magnetic field strength increases, the precessional frequency of the hydrogen proton also increases, that is, at 1.5 T the precessional frequency of hydrogen is

(42.6)(1.5) ≅ 64 MHz

MRI By:Dr.Nickfarjam 15

نماهاي تصويرنماهاي تصوير

MRI By:Dr.Nickfarjam 16

نماهاي تصويرنماهاي تصوير

MRI By:Dr.Nickfarjam 17

MRIMRI

MRI By:Dr.Nickfarjam 18

!!روشن شدن ميدان مغناطيسيروشن شدن ميدان مغناطيسي: : قدم صفرمقدم صفرم

با گذشت زمان رشد با گذشت زمان Mرشد �

MRI By:Dr.Nickfarjam 19

TT11!=!=ثابت زماني رشدثابت زماني رشد relaxation time relaxation time

چرا؟�

↓ B0 → ↓ T1

MRI By:Dr.Nickfarjam 20

1 − e−t/T1

دانسيته پروتوندانسيته پروتون

N(H)قدرت سيگنال وابسته به تعداد پروتونها در واحد حجم�

Magnetization ∝ N(H)(1 − e−t/T1)∝

MRI By:Dr.Nickfarjam 21

slice selectionslice selection: : قدم اول در تصوير برداريقدم اول در تصوير برداري

MRI By:Dr.Nickfarjam 22

RFRFاعمال پالس اعمال پالس

NU = 1,000,000

= 1,000,000 - 5

...

NU

∆E3.0T = 2*∆E1.5T

..

NL ~ 1,000,000 + 10

1.5 T

~ 1,000,000 + 15...

NL

∆E3.0T = 2*∆E1.5T

∆E1.5T

...

NNLL = # /volume in low energy state = # /volume in low energy state

NNUU = # /volume high energy state= # /volume high energy stateM ∝ (N(NLL -- NNUU))

Lowering temperature increases M

MM3.0 T

23MRI By:Dr.Nickfarjam

توسط اتمهاي هيدروژن موجود در اساليس دلخواه توسط اتمهاي هيدروژن موجود در اساليس دلخواه RFRFجذب پالس جذب پالس

به صفر رسيدن اختالف جمعيتي كه به واسطه حضور ميدان مغناطيسي خارجي ايجاد شده �بود

24MRI By:Dr.Nickfarjam

.روند مي باالتر انرژي تراز به اسپينها از تعدادي ،RF پالس اعمال از پس�

.است اصلي ميدان جهت خالف جهتي معناي به باالتر انرژي تراز�

.يابد مي كاهش Mz طولي مولفه بنابراين�

).شوند مي فاز هم اسپينها(كند مي رشد نيز Mxy يعني MDM عرضي مولفه اين بر عالوه�

.دارد z حول مارپيچي حركت M نهايي مولفه كه شود مي تصور دليل اين به�

RF RF 9090پالس پالس

25MRI By:Dr.Nickfarjam

RFRFپالس پالس

:نكته�

در حل چرخش اند اما به دليل عدم هم فازي B0اگرچه همه اسپين ها حول محور �. ندارند x-yآنها، مولفه اي روي صفحه

26MRI By:Dr.Nickfarjam

RFRFپس از خاموش شدن پس از خاموش شدن

مي افتد؟ RFچه اتفاقي پس از خاموش شدن �

: اتفاق اول�بودند به تراز پايين همجهت با ) خالف جهت ميدان(خارجي، اسپينهايي كه در تراز باال RFبا خاموش شدن �

. ميدان باز مي گردند

: نتيجه اتفاق اول�Mzرشد مولفه طولي �

MRI By:Dr.Nickfarjam 27

RFRFپس از خاموش شدن پس از خاموش شدن

: اتفاق دوم�داشتند x-yو در نتيجه مولفه خالصي در صفحه (خارجي، اسپينهايي كه هم فاز شده بودند RFبا خاموش شدن �

. مجددا دفاز مي شوند

: نتيجه اتفاق اول�Mxyكاهش مولفه عرضي �

MRI By:Dr.Nickfarjam 28

RFRFپس از خاموش شدن پس از خاموش شدن

)T1 Recovery(رشد مولفه طولي1.

)T2 decay(كاهش مولفه عرضي2.

MRI By:Dr.Nickfarjam 29

TT11

شبكه - زمان آسايش اسپين=زمان آسايش طولي�

پس مي دهند بجاي آنكه به اسپينها مجاور تحويل ) شبكه(چون انرژي دريافتي خود را به محيط�. دهند

. بازيابي شود M0مقدار % 63زماني كه نياز است تا �

. بازيابي مي شود M0مقدار % T1 ،95پس از گذشت سه �

MRI By:Dr.Nickfarjam 30

TT22

% 63(مقدار ماكزيمم برسد% 37از مقدار ماكزيمم خود به Mxyزماني كه طول مي كشد تا مقدار �)كاهش

. شدن اسپينها است) dephase(ناشي از ناهمفاز�

)مي باشد T2تا ده برابر بزرگتر از T1(صورت مي گيرد T1برابر سريعتر از 10الي T2 5كاهش �

: چرا اسپينها ناهمفاز مي شوند: سوال�

بر هم كنش بين اسپينها 1.

غير يكنواختي ميدان خارجي2.

localizingوجود گراديان هاي موجود در دستگاه براي 3.

MRI By:Dr.Nickfarjam 31

TT22و و TT11مقايسه مقايسه

T1(ms) بافت

1 T 0.5 T

220 220 چربي

860 600 مغز

3000 3000 CSF

MRI By:Dr.Nickfarjam 32

T2(ms) بافت

0.5 T

60 چربي

70 مغز

2000 CSF

جذب ميشود؟جذب ميشود؟ RFRFچه زماني چه زماني

است با فركانس zپروتونهاي حول ميدان مغناطيسي قوي خارجي كه در راستاي محور �ω0 در حال نوسان اند .

. مي شود ω1روشن با فركانس xديگري در راستاي B1ميدان �

xو zبرابر باشد، انرژي جذب شده و نوسان همزمان حول محور ω0با فركانس ω1اگر � xو zبرابر باشد، انرژي جذب شده و نوسان همزمان حول محور ωبا فركانس ωاگر �. داريم

MRI By:Dr.Nickfarjam 33

آب و چربيآب و چربي TT22و و TT11مقايسه مقايسه

MRI By:Dr.Nickfarjam 34

چربي و آبچربي و آب:: MRIMRIكنتراست دركنتراست در

MRI By:Dr.Nickfarjam 35

چربي و آب چربي و آب

)16.42(

)16.42:(

00

002

TMHzinB

TMHzinBex

fat

OH

=≈

=>>

ωω

ωω

MRI By:Dr.Nickfarjam 36

تفاوت فركانس نوسان هيدروژن در MRIمنشا تفاوت بين آب و چربي در . مولكول چربي و مولكول آب مي باشد

چربي و آبچربي و آب:: MRIMRIكنتراست دركنتراست درنحوه قرار گيري مولكولهاي چربي به گونه اي است كه فركانس : نكته

حال آنكه براي آب . نوسان ذاتي اش در حدود فركانس الرمور مي باشد. لذا جذب انرژي در چربي سريعتر انجام مي گيرد. اينگونه نمي باشد

MRI By:Dr.Nickfarjam 37

چربي و آبچربي و آب:: MRIMRIكنتراست دركنتراست در

MRI By:Dr.Nickfarjam 38

چربي و آبچربي و آب:: MRIMRIكنتراست دركنتراست در

MRI By:Dr.Nickfarjam 39

0

02

ωω

ωω

≈

>>

fat

OH

چربي و آبچربي و آب:: MRIMRIكنتراست دركنتراست در

MRI By:Dr.Nickfarjam 40

Flip angle Flip angle

. سيگنال و زمان اعمال آن بستگي دارد) دامنه(به قدرت RFپس از اعمال Mzموقعيت نهايي �

�Mz اختالف جمعيت صفر( درجه منحرف شود 90مي تواند(

�Mz جمعيت در تراز پايين پبيشتر باشد(درجه منحرف شود180مي تواند(

. مي تواند به صورت جزئي منحرف شود RF ،Mzبسته به زمان و قدرت �

.گفته مي شود Flip angleطي مي كند، RFبه زاويه اي كه بردار مغناطيسي به دنبال اعمال �

MRI By:Dr.Nickfarjam 41

Mxy = M0 sin θ

PrescanPrescan

. اتوماتيك انجام مي شود RFفرآيند آماده كردن اسكنر براي يك بيمار خاص كه توسط پالس �

). مي باشد flip angleو RFكه تعيين كننده قدرت (بازده ارسال را تنظيم مي كند�

.بازده دريافت را تنظيم مي كند� .بازده دريافت را تنظيم مي كند�

. بهترين را انتخاب مي كند�

MRI By:Dr.Nickfarjam 42

0ω

بر هم كنش بين اسپينها بر هم كنش بين اسپينها

. تاثير متقابل دو اتم هيدروژن كه در كنار يكديگر قرار گرفته اند�

تبادل انرژي بين اين دو1.

تغيير جزئي ميدان اطراف هركدام2.

. هر چند اختالف مورد اشاره كوچك است اما بهر حال در سيگنال خروجي تاثير گذار خواهد بود�

. اندازه گيري مي شود T2اسپين خصوصيت ذاتي بافت است و با - برهم كنش اسپين �

MRI By:Dr.Nickfarjam 43

غير يكنواختي ميدان خارجيغير يكنواختي ميدان خارجي

. نا يكنواختي ميدان خارجي منجر به چرخيدن اسپينها با فركانس متفاوت مي شود�

برخي بيشتر از فركانس اصلي و برخي كمتر�

ناهمفاز شدن اسپين ها : نتيجه�

0 ؛0ωنتيجه سه فركانس �+ω 0- وω :صفر شدن مولفه >>>نا همفاز شدن كامل اسپينها

Mxy

MRI By:Dr.Nickfarjam 44

Free Induction Decay(FID)Free Induction Decay(FID)

MRI By:Dr.Nickfarjam 45

Free Induction Decay(FID)Free Induction Decay(FID)

MRI By:Dr.Nickfarjam 46

Free Induction Decay(FID)Free Induction Decay(FID) ideal ideal

MRI By:Dr.Nickfarjam 47

Free Induction Decay(FID)Free Induction Decay(FID) Real Real

. خواهيم داشت ωبا فركانس RFو بار دار بودن آنها ، تابش ωبه دليل چرخش اسپينها با فركانس �

. اغلب دريافت كننده نيز مي باشند RFكويلهاي فرستنده �

. كويل به گونه اي قرار گرفته است كه سيگنال ناشي از ناهمفاز شدن اسپينها ار دريافت مي كند�

لذا دامنه سيگنال دريافت شده نيز با گذشت زمان و به صورت سينوسي Mxyبا توجه به كاهش مولفه �. كاهش مي يابد

. به اين سيگنال فروپاشي القايي آزاد گفته مي شود�

. مي باشد T2معرف FIDپوش منحني � . مي باشد T2معرف FIDپوش منحني �

MRI By:Dr.Nickfarjam 48

**TT22و و TT22تفاوت تفاوت

. تبديل مي شود *T2به T2بدليل ناهمگني ميدان و ساير عوامل مزاحم �

�T2 خصوصيت ذاتي ماده است اماT2* وابسته به ميدان خارجي و ناهمگني هاي احتمالي. موجود در ميدان است

چرا؟ . مي باشد T2هميشه كمتر از *T2: نكته�B

TT∆+= γ

*

22

11

MRI By:Dr.Nickfarjam 49

FIDFIDدريافت دريافت

. ضعيف مي شوددامنه سيگنال دريافتي كاهش يافته و Mxyبا گذشت زمان، �

زوال يافته و امكان دريافت Mxyهر چه زمان بيشتري بگذرد، مقدار بيشتري از �. اطالعات محدود تر مي شود

. با توجه به اين موضوع محدوديت جدي در دريافت اطالعات خواهيم داشت� . با توجه به اين موضوع محدوديت جدي در دريافت اطالعات خواهيم داشت�

MRI By:Dr.Nickfarjam 50