Основы МРТ Профессор Р Ф Бахтиозин Основы

Основы МРТ Профессор Р. Ф. Бахтиозин

Основы МРТ • • История МРТ Классификация МР томографов Физические основы МРТ Клиническое применение МРТ

Начало. . . Первое исследование: 3 Июля , 1977 Время сканирования: 4 ч. 45 мин.

Люди открывшие магнитный резонанс Rabi 1926 Physics Bloch, Purcell 1946 Physics Lauterbur, Mansfield 1970 -73 Medicine and Physiology Ernst 1970 Chemistry Molecular beams Solids and Liquids Imaging, EPI, Backprojection Pulsed FTmethods

В 1944 году проф. Евгений Завойский в Казанском университете впервые получил сигнал ядерно- магнитного резонанса В 1946 году, Феликс Блох открыл новые свойства атомного ядра, за что ему была присуждена Нобелевская премия. Он установил, что ядро ведет себя подобно магниту, а заряженная частица, такая как протон, вращающаяся вокруг собственной оси, имеет магнитное поле, известное как магнитный момент. Открытие было сведено им в уравнение, названное уравнением Блоха. Теоретические исследования были подтверждены экспериментально в начале 1950 -х годов. В 1960 году были разработаны спектрометры ядерно-магнитного резонанса для аналитических целей. На протяжении 1960 и 1970 годов ЯМР спектрометры широко использовались в академических и индустриальных исследованиях. Спектрометрия используется для анализа молекулярного строения вещества, основанного на его ЯМР спектре.

Магнитно-резонансная томография • • Моментом появления в клинической практике магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 год, когда профессор химии Пол Лаутербур опубликовал в журнале NATURE статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса» . Позже англичанин Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. Известный ранее метод ядерно-магнитного резонанса(ЯМР) использовался до работ Лаутербура в основном для исследования молекулярной структуры. Работы Лаутербура и Питера Мансфилда позволили использовать метод для получения изображений целого организма. Лаутербур изобрёл как использовать градиент магнитного поля, который позволяет определять происхождение радиоволн, излучаемых ядрами объекта исследования. Эта информация позволяет воссоздать двумерную картину организма В 2003 году Лаутербур вместе с Мэнсфилдом получил Нобелевскую премию в области медицины «за изобретение метода магнитно резонансной томографии» .

Почему МРТ? • Принципиальное преимущество МРТ – превосходное контрастное разрешение. МРТ позволяет выявлять незначительные различия контраста (мягких) тканей и даже лучше, чем при КТ исследованиях. Изменяя параметры МР, можно оптимизировать импульсную последовательность для определенной патологии. • Другое преимущество МРТ – возможность строить изображения в любых проекциях. • Отсутствие ионизирующей радиации.

Типы МР томографов • Сверхпроводящие магниты. • Постоянные магниты • Резистивные магниты

Типы МР томографов • Томографы открытого типа • Томографы закрытого типа

Типы МР томографов • • Низкопольные томографы (до 0, 5 Т) Среднепольные томографы (0, 5 -1, 0 Т) Высокопольные томографы (1, 0 -1, 5 Т) Сверхвысокопольные томографы (>1, 5 Т)

Сверхпроводящие магниты закрытого типа от 1, 5 Т до 3, 0 Т

Magnets • Сверхпроводящие Открытого типа (0. 35 T ~ 0. 5 T) Toshiba OPART (0. 35 Tesla) GE “Double Donut” (0. 5 Tesla) • Постоянные/ Резистивные Открытого типа (0. 064 T ~ 0. 3 T) FONAR Quad 7000 (0. 6 Tesla) Hitachi Airis (0. 3 Tesla)

Существуют магниты разных типов и силы магнитного поля • Сверхпроводящие магниты закрытого типа (0. 35 T ~ 4. 0 T) Siemens Harmony (1. 0 T) Philips NT 1 (1. 0 T) Toshiba Visart (1. 5 T) Toshiba Flexart (0. 5 T)

Тип Magnets Открытый тип Закрытый тип Преимущества • Вертикальное маг. поле • Соленойдные катушки • Интервенционные процедуры • Нет клаустрофобии • Тучные пациенты • Объект в центре магнита • Не чувствителен к артефактам • Хорошая гомогенность поля • Легкий вес • Высокопольные • Высокий сигнал • Небольшое время скана • Сложные последовательности Недостатки • Слабая гомогенность п. • Тяжелый вес • Слабопольные • Слабый сигнал • Долгое время сканирования • Поверхностные катушки • Нет интервенционных п-р • Клаустрофобия • Тучные пациенты • Не центрованное сканирование • Чувствителен к артефактам

Типы магнитов • Постоянные магниты Постоянный магнит состоит из материала, который намагничен таким образом, что магнитное поле не ослабевает. ПРЕИМУЩЕСТВА НЕДОСТАТКИ Низкое энергопотребление Низкие эксплуатационные расходы Маленькое поле неуверенного приема Без криогена Ограниченная напряженность поля (<0. 3 T) Очень тяжелый Нет быстрого охлаждения Нет аварийного снижения магнитного поля

Типы магнитов • Резистивные магниты – очень большие электромагниты, подобные тем, которые используются на автомобильных свалках для переноса корпусов. Магнитное поле порождает-ся током, который течет по обмоткам проводов. Эти магниты выделяют много тепла, что требует водяного охлаждения. К тому же они потребляют большое количество электроэнергии, и в целях ее экономии их обычно выключают в перерывах между исследованиями. ПРЕИМУЩЕСТВА Низкая стоимость Легкий вес Может быть отключен НЕДОСТАТКИ Высокое энергопотребление Ограниченная напряженность поля (<0. 2 T) Требуется водяное охлаждение Большое поле неуверенного приема

Типы магнитов Рисунок 4 • • • Сверхпроводящие магниты Магнитное поле порождается током, который течет по обмоткам проводов. Провод окружен хладагентом, таким как жидкий гелий, для уменьшения электрического сопротивления. При температуре 4 Кельвина (-269° C) электрический провод “теряет” электрическое сопротивление. Сверхпроводимость используется в системах с очень высокой напряженностью поля до 12 Т. Наиболее часто в клинической практике применяются системы с напряженностью поля до 1. 5 Т ПРЕИМУЩЕСТВА НЕДОСТАТКИ Высокая напряженность поля Высокая однородность поля Низкое энергопотребление Высокое отношение сигнал/шум Быстрое сканирование Высокая стоимость Высокие расходы на криогенное обеспечение Акустический шум Артефакты движения Техническая сложность

РЧ катушки Существует два типа РЧ катушек: - объемные - поверхностные

РЧ катушки • Квадратурные катушки или катушки с круговой поляризацией могут быть седловидной формы или относиться к поверхностным катушкам. Преимущество этой конструкции состоит в том, что они формируют сигнал в √ 2 раз больший по сравнению с катушками с одним проводом. В настоящее время, большинство объемных катушек – квадратурные катушки. • Катушки с фазовой решеткой состоят из многочисленных поверхностных катушек. Поверхностные катушки обладают самым высоким отношением сигнал - шум, но имеют ограниченную область чувствительности. Путем объединения 4 или 6 поверхностных катушек можно создать катушку с большой областью чувствительности.

Намагни. Фнностьче Физические основы МРТ Люди , состоят на 80% из воды. Вода состоит из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Водород обладает “гиромагнитным отношением” равным 42. 57 MHz/T.

Физические основы МРТ: Намагниченность Протоны водорода вращаются вокруг своей оси и обладают магнитным полем. В норме все протоны водорода расположены хаотично , вращаются вокруг своей оси и тело находится в идеальном балансе.

Намагниченность Когда атом водорода помещен в магнитное поле: • Атомы выстраиваются : параллельно непараллельно • Они прецессируют или "колеблются" благодаря наличию магнитного момента атома • Прецессируют с Ларморовой частотой Ларморовая частота: w 0 = g B 0 w 0 = прецессионная или Ларморовая частота 21. 26 MHz (63. 78 MHz) g = Гиромагнитное соотношение : 42. 57 MHz/T B 0 = Напряженность магнитного поля :

Намагниченность parallel anti - parallel B 0 Количество протонов, ориентированных параллельно в поле 0. 5 T, составляет всего лишь 3 протона на миллион (3 ppm = parts per million = миллионная часть)

Намагниченность Для того чтобы показать направление и силу магнитного поля мы используем: Векторы

Физические основы МРТ Намагниченность Z Для того чтобы показать направления Намагниченности: NET magnetization X Y B 0 направления X, Y, Z

Возбуждение Z RF ± 21. 28 MHz (0. 5 Tesla) X Y Когда мы посылаем сигнал с центральной частотой , намагниченность будет изменятся в плоскости XY

Физические основы МРТ Релаксация T 1 Z Z Z RF X ± 21. 28 MHz X Y Y X Y T 1 RELAXATION Z Z X Y После прекращения действия РЧ импульса возбуждения, суммар-ный вектор намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая радиочастотные волны. T 1 релаксация описывает процессы в направлении оси Z. Через некоторое время ситуация возвращается к первоначальной до зондирования пациента РЧ импульсом. Известное как : Спин-решеточная релаксация

Релаксация T 1 Z X Y

Релаксация T 1 Mz 100 % 63 % 0 T 1 1000 1500 2000 Time (msec) Кривая Т 1 релаксации T 1 = пост. времени T 1 определяется как время, необходимое для достижения 63% продольной намагниченности (Mz) от первоначального уровня намагниченности.

Релаксация T 1 Mz Fat 180 ms Grey Matter 520 ms CSF 2000 ms Time T 1 Кривые релаксации Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Поэтому скорость испускания энергии различна. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.

Релаксция T 2 Z Z X X Y Z Z Y Z X Y T 2 RELAXATION X Y процесс перехода из ситуации полного совпадения фаз к ситуации совершенного отсутствия фазы называется T 2 релаксацией Так же известная как спин релаксация

Релаксация T 2 X Y Z X Y Возбуждение и T 2 релаксация

Релаксация T 2 MXY 100 % 37 % 0 20 40 60 80 100 Time (msec) T 2 Кривая T 2 Релаксации T 2 = Пост. времени T 2 релаксация – также постоянная времени. T 2 определяется как время, необходимое для достижения 37% количества смещенных по фазе протонов от первоначального

Релаксация T 2 MXY Fat 90 ms Grey Matter 100 ms CSF 300 ms Time T 2 RELAXATION CURVES Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани. Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с водой. Еще одно замечание относительно T 2 релаксации: она протекает гораздо быстрее T 1 релаксации. T 2 релаксация происходит за десятки миллисекунд, в то время как T 1 релакса-ция может достигать секунд

Сбор данных Y Z (B 0 ) X Receiver Coil Во время процессов релаксации протоны излучают избыточную энергию, полученную от 90º РЧ импульса, в виде радиоволн. Для создания изображения необходимо собрать эти волны прежде, чем они исчезнут в пространстве. Приемная катушка должна быть помещена под определенными углами к главному магнитному полю (B 0). А именно 90 градусов

Принцип работы МРТ Z Z Z RF Y Возбуждение X X X Y Y Релаксация 1+1=3 Просмотр Вычисление Приём

Импульсные последовательности (ИП). Общепринятые сокращения. TR (Time Repetition) – Время Повторения TE (Time Echo) – Время Эхо TI (Time Inversion) – Время Инверсии Flip – угол отклонения продольной намагниченности NA (Number of Averages) – Число Усреднений (накоплений) T 1 ВИ – Изображение, взвешенное по Т 1 T 2 ВИ – Изображение, взвешенное по Т 2 PDВИ - Изображение, взвешенное по протонной плотности ДВИ – Диффузионно-взвешенное изображение ПВИ – Перфузионно-взвешенное изображение

Последовательность Спиновое Эхо (SE) T 1 ВИ Т 2 ВИ PDВИ TR, мс 600 4000 1500 TE, мс 10 - 30 80 - 250 10 -30 Flip, град 90 90 90 TI, мс - - - 1 -2 1 -2 NA

Последовательность Инверсия Восстановление(IR) T 1 ВИ FLAIR STIR TR, мс 2000 5000 2000 TE, мс 10 - 30 Flip, град 90 90 90 TI, мс 400 -700 2200 120 1 -2 2 -3 NA

Последовательность Быстрое Спиновое Эхо (TSE, FSE, RARE) T 1 ВИ Т 2 ВИ PDВИ TR, мс 600 4000 1500 TE, мс 20 - 30 80 - 250 10 - 30 Flip, град 90 90 90 TI, мс - - - 1 -2 1 -2 NA

Последовательность Градиентное Эхо (GE, FE, GRE) T 1 ВИ Т 2*ВИ PDВИ TR, мс 100 -150 600 TE, мс 2 - 14 20 - 30 2 - 14 Flip, град 60 -90 5 - 30 30 - 60 TI, мс - - - 1 -2 1 -2 NA

Последовательность Быстрое Градиентное Эхо (Fast. SPGR, FFE, Turbo. FLASH) T 1 ВИ TR, мс 9 -30 TE, мс 3 - 5 Flip, град 8 -10 TI, мс 1000 NA 1

Последовательность Эхо-Планарная (SE-EPI) ДВИ (диффузия) ПВИ (перфузия) TR, мс 5000 2000 TE, мс 100 -160 50 -80 90 90 TI, мс - - NA 1 50 Длина Эхо Шлейфа 128 256 b-фактор (с/мм 2) 1000 - Flip, град

Клиническое применение МРТ • • Неврология и нейрохирургия Травматология и ортопедия Онкология Педиатрия Акушерство и гинекология Урология Кардиология

Клиническое применение МРТ • Т 1 -взвешенные изображения (оптимальная анатомическая визуализация) • Т 2 -взвешенные изображения (хороший тканевой контраст) • Изображения с подавлением сигнала жира • Диффузионно-взвешенные изображения • Спектроскопия • Применение контрастирующих реагентов (препараты Gd, оксиды Fe, препараты Mn)

МРТ головного мозга

МРТ гипофиза

МРТ шейного отдела позвоночника

МРТ поясничного отдела позвоночника

МРТ предстательной железы

МРТ малого таза

МРТ коленного сустава

МРТ голеностопного сустава

МРТ печени

МРХПГ

Обструктивная желтуха, рак желочного протока Исследовани. МРТ е перед операцией（After PTGBD） DWI（b=1000）　 • • • Gd C. E. （＋）T 1 WI Arterial Phase ３D-FASE　 RESP. GATE Сильный сигнал от опухоли визуализируется на диффузионном изображении (DWI) Границы опухоли трудно определить на динамическом изображении При сравнении DWI и динамического изображения

В результате …. Головной мозг Ортопедия Кардиология XGV/ZGV

Новые методики исследования FBI Исследование периферических сосудов Body diffusion MR – MR Fusion Альтернатива ПЭТ.

Спасибо за внимание