Upload
doancong
View
222
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Dasar Fisika Magnetic Resonance Imaging
Supriyanto Ardjo Pawiro
Departemen Fisika FMIPA UI, Email: [email protected]
Daftar isi
• Dasar Fisika MRI • Prinsip Resonansi• Mekanisme Relaksasi dan Sinyal MRI• Rekonstuksi Citra MRI • Properti Citra MRI • MRI Spektroskopi
Bagaimana MRI Bekerja?• Nuclear spin• Resonance• Excitation and relaxation
5/4/2017 4
Nuclear Spins
• Beberapa partikel subatomik akan berotasi pada porosnya “ spin”
• Inti tersusun atas partikel bermuatan dan partikel tidak bermuatan
• Rotasi partikel bermuatan akan menghasilkan arus
• Arus listrik yang terjadi akan menghasilkan,
Electron
Proton
m Lwhere m = magnetic moment
L = angular momentum
= gyromagnetic ratio
(aka magnetogyric ratio)
I
magnetic moment
spin
Nuclear Spin• Pasangan partikel identik yang saling
berlawanan akan saling mengilangkan (Contoh: 16O and 12C)
• Partikel bermuatan yang tidak berpasangan akan memiliki besar momen dipol magnetik (Contoh: 1H, 13C, 23Na, 19F, 31P)
Keberadaan Medan Eksternal
• Untuk proton(1H), terdapat spin paralel dan antiparalel • Ketika medan magnet ekternal diterapkan, spin paralel
akan searah dengan medan magnet eksternal• Antiparalel akan berlawanan dengan arah medan magnet
eksternal
Bo
parallel antiparallel
Spin dan Energi : Model Quantum
∆E
Eantiparallel – Energi tinggi
Eparallel – Energi rendah
Kelompok spin?
N parallel
Nantiparallel e
EkT
E B0
k adalah konstatanta Boltzmann
h”bar” adalah konstata Planck dibagi 2pT adalah temperatur dalam Kelvin
Pendekatan
Nparallel Nantiparallel E2kT
Np
Contoh
Untuk temperatur 72° dan medan magnet 1.5 Tesla akan
menghasilkan 9.6 excess spins arah parallel 1 juta proton
Untuk setiap ml jaringan terdapat sekitar 6 x 1022 protons
Dengan penjumlahan vektor, spin antiparalel akan mengurangi
sinyal dari spin paralel
Jumlah spin yang berkontribusi terhadap sinyal MRI 1.5 T
adalah
9.6 x10-6 • 6 x 1022 = 5 x 1017 /ml jaringan
2. Prinsip Resonance
• Emisi Radiasi– Dua tingkat energi
elevated
state
rest
state
Emisi foton
∆E = h f
f = ∆E / h
5/4/2017 11
Presisi Spin
• Magnetic “Spinning Top”
• = rasio Gyromagnetic• Persamaan presisi
frekuensi Larmor • Untuk proton,
= 42.58 MHz/T
Bdt
d
B
B
Bloch equation with no relaxation
Properti pada beberapa Inti
IntiNatural
abundance (%)Gyromagnetic ratio (MHz/T) Sensitivity*
1H 99.98 42.58 100.00
13C 1.11 10.71 1.59
19F 100.00 40.05 83.30
23Na 100.00 11.26 9.25
31P 100.00 17.23 6.63
39K 93.10 1.99 0.05
*sensitivity relatif (dibandingkan terhadap Hidrogen) untuk inti yang sama pada kuat medan magnet konstan sebagai prosentasi sensitivitas atom H
3. Mekanisme Relaksasi dan Sinyal MRI• Eksitasi terjadi ketika sinyal RF dikenakan ke sistem
pada frekuensi resonansi• Relaksasi terjadi ketika sinyal RF diberhentikan atau
dimatikan dalam sistem • Energi RF diterapkan pada sistem dengan
menggunakan antena • Energi RF dideteksi karena induksi elektromagnetik
dalam kumparan penerima, setelah itu sinyal RF dinyalakan kembali
Bagaimana Citra MRI terbentuk?• 1) Tempatkan spin inti pada medan magnet eksternal• 2) Eksitasi spin dengan frekuensi peresonan • 3) Merekam proses relaksasi spin yang terjadi
– Langkah 2 dan 3 didapatkan menggunakan satu atau lebih koil radiofrekuensi (RF)
– Langkah 2 dan 3 dikerjakan pada keberadaan medan gradien
• 4) Rekonstruksi citra MRI dengan transformasi Fourier
Eksitasi dengan pulsa resonansi - B1
• Pulsa memiliki sudut tertentu bergantung pada kuat medan B1 dan lamanya pulsa
• Pulsa dapat diterapkan dalam spektrum frekuensi atau frekuensi tunggal (diskrit)
Bo
B1
“rotating frame”
Apa yang terjadi pada saat pulsa RF diterapkan ?
x`
y`
z
M
rotating frame
B1
Sudut putar, a = B1t
B1
t
a
17
Pulsa RF
• Jika aplikasi RF sama dengan frekuensi Larmor
• RF diberikan dengan sudutMembuat proton dalam satu fase
• Beberapa proton akan mengubah keadaan energinya
1BBo
Y
X
ZMo
B1 RF
Ө
MXY
18
Pulsa 90o dan 180o pulse
• Pulsa RF 90o akan menyebabkan – M0= Mxy maksimum – Mz akan minimum
• Pulsa 180o akan membalik M0 dan arah presisinya
19
Waktu relaksasi T1
• Setelah pulsa RF – 1. Spin akan kembali ke
keadaan energi lebih rendah– 2. Spin akan berubah fasenya
• T1 dikenal sebagai waktu relaksasi spin-lattice
• Spin akan memberikan energi ke kisi sekitarnya
)1()( 10
Tt
eMtM z
20
Waktu relaksasi T2*
• Akibat– Interakasi antar
individual spin– Ketidakhomogenan
medan magnet eketernal
M(t)||
M0
t
T2
21
T2 and T2*
• Gunakan pulsa 1800
untuk mefokuskan kembali
22
T1 dan T2
• T2 selalu lebih cepat dari T1
Mz
Mxy
MxyMz=0Mxy=M
Mz growsMxy
decreases
Mz growsMxy
decreases
Mz maximumMxy=0
T1
RF OFF:
Loss of MxyGain of Mz
Independentprocess
A simple coil
B ~ to current
A sample of H20
5/4/2017 24
Free Induction Decay –Gradient echo (GRE)
• Eksitasi spin dan ukur peluruhan
• Permasalahan:– Sinyal cepat
meluruh – Akuisisi tidak
dimungkinkan pada saat RF “on “
– Tidak akandidapatkan data Echo
time
e-t/T2*
90 RF0
MR signal
5/4/2017 25
Spin echo (SE)
time
e-t/T2*
90 RF0
MR signal
180 RF0
e-t/T2
27
Pulse Sequence
• TR – waktu untuk mengulang pulsa 900
• TE – time yang dibutuhkan dari 900 s.d echo• Spin Echo (SE) Sequence
5/4/2017 28
MR Parameters: TE and TR
• Waktu Echo, TE, adalah waktu dari eksitasi RF sampai snyai Echo diterima. Waktu Echo yang pendek akan membuat peluruhan T2 lebih kecil.
• Waktu pengulangan TR, adalah waktu antara satu akuisisi dengan akuisisi berikutnya. Untuk TR pendek tidak mengijinkan magnetisasi longitudinal kembali ke keadaan semula secara sempurna, sehingga M0 akan tereduksi.
• TE pendek dan TR panjang akan mengakibatkan sinyal yang kuat
5/4/2017 30
Contrast, Imaging Parameters
)GRE(e)e1(or
)SE(e)e1()TE,TR(S*21
21
T/TET/TR
T/TET/TR
TE TR Image Weighting Short Long Proton Short Short T1 Long Long T2, T2*
5/4/2017 31
Properties of Body TissuesTissue T1 (ms) T2 (ms)
Grey Matter (GM) 950 100
White Matter (WM) 600 80
Muscle 900 50
Cerebrospinal Fluid (CSF) 4500 2200
Fat 250 60
Blood 1200 100-200
32
T1 Weighted Image
• Very long TR – T1 effect canceled• Short TR short TE – T1 weighted image
Short TR
Long TR
34
T2 Weighted Image
• Long TE – T2 weighted image• Very short TR – Signal intensity too
small
T1
T2
TR TEc
Inversi Recovery
5/4/2017 38
MRI of the Brain - Sagittal
T1 Contrast
TE = 14 ms
TR = 400 ms
T2 Contrast
TE = 100 ms
TR = 1500 ms
Proton Density
TE = 14 ms
TR = 1500 ms
5/4/2017 39
MRI of the Brain - Axial
T1 Contrast
TE = 14 ms
TR = 400 ms
T2 Contrast
TE = 100 ms
TR = 1500 ms
Proton Density
TE = 14 ms
TR = 1500 ms
5/4/2017 40
Brain Tumor
Post-Gd T1
T1 T2
5/4/2017 41
2D Sequence (Gradient Echo)
Gx
Gy
Gz
b1
acqky
kx
TR
TE
Scan time = NyTR
5/4/2017 42
Frequency encoding - 1D imaging
m(x)
Spatial-varying resonance frequency during RF detection
S(t) = m(x)eikxxdx = S(kx), m(x) = FT{S(kx)}
S(t) ~ eiBt
S(t) ~ m(x)eiGxxtdx
kx = Gxtx
B = B0 + Gxx
5/4/2017 43
Slice selectionSpatial-varying resonance frequency during RF excitation
z
B1 freq band
= 0 + Gzz
m+ = mx+imy ~ b1(t)e-iGzztdt = B1(Gzz)
Excited location
Slice profile
Slice selection/thickness
Band-limited
Radiofrequency
pulse
Frequency encoding
Readout and phase encoding
4. Properti Citra MRI• Spatial resolution• Contrast resolution• Signal to noise ratio• Contrast to noise ratio• Artifacts
Resolusi Spasial• Ditentukan oleh:
– Ketebalan irisan– FOV sepanjang
Pengkode fase– FOV sepanjang
pengkode frekuensi– Jumlah langkah
pengkoean fase– Jumlah sampel
pengkodean frekuensi
D
Nf=256
Nf=256 d
Luas Pixel = FOVp/Np • FOVf/Nf
Volume pixel = luas pixel • ketebalan irisan
Signal to noise ratio (SNR)
• Sumber noise MRI– Koil Penerima
• Variasi tegangan random akibat gerakan elektron (aka Johnson noise)
– Pasien• Seberapa besar pasien
volume aktif pasien berapa pada koil penerima?
N a1
2 bv2
a adalah konstanta tergantung pada koil
penerima
b adalah konstanta tergantung pada
pasien dan medan B1
nAdalah frekuensi peresonan
Pada frekuensi di atas 15 MHz, nois akan didominasi oleh pasien,
sehingga noise akibat koil penerima diabaikan ,
persamaan akan sederhana dan N sebanding dengan skala frekuensi
Signal to Noise Ratio• Sinyal MRI naik sebadning dengan kuadrat frekuensi,
deangkan frekuensi di atas 15 MHZ, noise akan linear dengan frekuensi;
• Oleh karena itu, SNR akan naik sebanding dengan kekuatan medan.
S 2,N
S
N2
It’s a little more complicated...
SNR 1Hf s N Nf Nave
1
samp0
f
1H is the proton density
nfs is the voxel volume
Nn is the number of frequency encoding steps
Nf is the number of phase encoding steps
Nave is the number of averages for each phase encoding step
nsamp is the sampling bandwidth
n0 is the Larmour frequency (resonant frequency)
f is a function depending on the coil, pulse sequence, flip angle,
TE, TR, etc, etc. etc.
Contrast Resolution
• Kontras antara 2 jaringan – C = S1 - S2
• Dengan S1 and S2 adalah intensias kedua jaringan
– CNR = (<S> - <Sref>)/sref
• Dimana <S> adalah sinyal rata-rata dalam ROI dan <Sref> and sref adalah sinyal rerata dan standar deviasi pada ROI jaringan referensi
S1
S2
CNR naik akan membuat lesi semakin mudah terlihat
Artifacts
• Why is MRI susceptible to artifacts?– Low SNR compared to other imaging modalities– Ability to directly modify spatial frequency sampling– Sensitivity to metallic objects– Patient to RF coil interaction is variable
• Basic categories– Instrument related– Patient related
5. MRI SPEKTROSKOPI
Magnetic resonance spectroscopy adalah teknik non inavasif untuk mengukur biokimiad alam jaringan.Keuntungan dari MRS adalah emproduksi sinyal yang berbeda tergantung pada ikatan tetangganya
Chemical Shift
Magnetic Inti• MRS 1H adalah inti magnetik yang sensitif dan hidrogen
merepresentasikan penyusun hampir semua jaringan dalam tubuh
• Sebagai pembanding diperlukan sebuah refrensi acuan • Untuk konsistensi, possi puncak spektrum direlatifkan
terhadap tetrametylsilane (TMS) meskpun ini tidak terjadi pada jaringan
• Beberapa inti yang berguna dalam MRS adalah 31P, 13C, and 19F.
Case 1: MRS and Brain cancer
• Area of relatively high Cho/NAA may indicate high cellular activity, and hence radio-sensitivity, and Lac may indicate hypoxic area with reduces radiosensitivity.
• The technique can also be helpful in identifying area missed by radiation fields, and in separating recurrence from radiation necrosis.
• Reduction in Cho and Lipid and lactate can also reflect response to chemotherapy and radiotherapy.
• Reduction in Cho and Lac and increasing Lip (believe to represent necrosis) in corresponding tumor were detected at earlier time (1 week to 1 months) than contrast enhanced MRI or SPECT.
Therapeutic guidance, assessment of response and recent development
Case2 : MRS and Prostate
TERIMA KASIH