Dasar Fisika Magnetic Resonance Imaging

Transkripsi

1 Dasar Fisika Magnetic Resonance Imaging Supriyanto Ardjo Pawiro Departemen Fisika FMIPA UI,

2 Daftar isi Dasar Fisika MRI Prinsip Resonansi Mekanisme Relaksasi dan Sinyal MRI Rekonstuksi Citra MRI Properti Citra MRI MRI Spektroskopi

3 Bagaimana MRI Bekerja? Nuclear spin Resonance Excitation and relaxation

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, I m L where m = magnetic moment L = angular momentum = gyromagnetic ratio (aka magnetogyric ratio) magnetic moment spin Proton Electron 5/4/2017 4

5 Nuclear Spin Pasangan partikel identik yang saling berlawanan akan saling mengilangkan (Contoh: 16 O and 12 C) Partikel bermuatan yang tidak berpasangan akan memiliki besar momen dipol magnetik (Contoh: 1 H, 13 C, 23 Na, 19 F, 31 P)

6 Keberadaan Medan Eksternal Untuk proton( 1 H), 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 B o parallel antiparallel

7 Spin dan Energi : Model Quantum E antiparallel Energi tinggi E E parallel Energi rendah

8 Kelompok spin? N parallel N antiparallel e E kt Pendekatan E B 0 k adalah konstatanta Boltzmann h bar adalah konstata Planck dibagi 2p T adalah temperatur dalam Kelvin N parallel N antiparallel E 2kT N p

9 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 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 x x = 5 x /ml jaringan

10 2. Prinsip Resonance Emisi Radiasi Dua tingkat energi elevated state Emisi foton f = E / h rest state E = h f

11 Presisi Spin Magnetic Spinning Top d dt B = rasio Gyromagnetic Persamaan presisi frekuensi Larmor Untuk proton, = MHz/T Bloch equation with no relaxation B B 5/4/

12 Properti pada beberapa Inti Inti Natural abundance (%) Gyromagnetic ratio (MHz/T) 1 H C F Na P K Sensitivity* *sensitivity relatif (dibandingkan terhadap Hidrogen) untuk inti yang sama pada kuat medan magnet konstan sebagai prosentasi sensitivitas atom H

13 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

14 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

15 Eksitasi dengan pulsa resonansi - B 1 Pulsa memiliki sudut tertentu bergantung pada kuat medan B 1 dan lamanya pulsa Pulsa dapat diterapkan dalam spektrum frekuensi atau frekuensi tunggal (diskrit) B o B 1 rotating frame

16 Apa yang terjadi pada saat pulsa RF diterapkan? z Sudut putar, a = B 1 t a M y` B 1 x` rotating frame B 1 t

17 Pulsa RF Mo Z Jika aplikasi RF sama dengan frekuensi Larmor RF diberikan dengan sudut Membuat proton dalam satu fase Beberapa proton akan mengubah keadaan energinya B 1 X Bo B 1 Ө RF M XY Y 17

18 Pulsa 90 o dan 180 o pulse Pulsa RF 90 o akan menyebabkan M 0 = M xy maksimum Mz akan minimum Pulsa 180 o akan membalik M 0 dan arah presisinya 18

19 Waktu relaksasi T 1 Setelah pulsa RF 1. Spin akan kembali ke keadaan energi lebih rendah 2. Spin akan berubah fasenya T 1 dikenal sebagai waktu relaksasi spin-lattice Spin akan memberikan energi ke kisi sekitarnya M z T1 ( t) M (1 e ) 0 t 19

20 Waktu relaksasi T 2 * Akibat Interakasi antar individual spin Ketidakhomogenan medan magnet eketernal M 0 T 2 M(t) t 20

21 T 2 and T 2 * Gunakan pulsa untuk mefokuskan kembali 21

22 T 1 dan T 2 T 2 selalu lebih cepat dari T 1 Mz Loss of Mxy Gain of Mz Independent process Mxy T1 RF OFF: Mxy Mz=0 Mxy=M Mz grows Mxy decreases Mz grows Mxy decreases Mz maximum Mxy=0 22

23 A simple coil B ~ to current A sample of H 2 0

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 MR signal 0 90 RF e -t/t2* time 5/4/

25 Spin echo (SE) MR signal e -t/t2 e -t/t2* time 0 90 RF RF 5/4/

26

27 Pulse Sequence TR waktu untuk mengulang pulsa 90 0 TE time yang dibutuhkan dari 90 0 s.d echo Spin Echo (SE) Sequence 27

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/

29

30 Contrast, Imaging Parameters S(TR, TE ) (1 e or (1 e TR / TR / T 1 T 1 )e )e TE / TE / T E T R Image Weighting Short Long Proton Short Short T1 Long Long T2, T2 * T * 2 T 2 (SE) (GRE ) 5/4/

31 Properties of Body Tissues Tissue T1 (ms) T2 (ms) Grey Matter (GM) White Matter (WM) Muscle Cerebrospinal Fluid (CSF) Fat Blood /4/

32 T 1 Weighted Image Very long TR T 1 effect canceled Short TR short TE T 1 weighted image Short TR Long TR 32

33

34 T 2 Weighted Image Long TE T 2 weighted image Very short TR Signal intensity too small T 1 T 2 TR TE c 34

35

36 Inversi Recovery

37

38 MRI of the Brain - Sagittal T1 Contrast T E = 14 ms T R = 400 ms T2 Contrast T E = 100 ms T R = 1500 ms Proton Density T E = 14 ms T R = 1500 ms 5/4/

39 MRI of the Brain - Axial T1 Contrast T E = 14 ms T R = 400 ms T2 Contrast T E = 100 ms T R = 1500 ms Proton Density T E = 14 ms T R = 1500 ms 5/4/

40 Brain Tumor T1 T2 Post-Gd T1 5/4/

41 2D Sequence (Gradient Echo) acq k y G x G y G z k x b 1 TE TR Scan time = N y TR 5/4/

42 Frequency encoding - 1D imaging Spatial-varying resonance frequency during RF detection B = B 0 + G x x S(t) ~ e i Bt S(t) ~ m(x)e i G xxt dx m(x) k x = G x t x S(t) = m(x)e ik xx dx = S(k x ), m(x) = FT{S(k x )} 5/4/

43 Slice selection Spatial-varying resonance frequency during RF excitation = 0 + G z z B 1 freq band z Excited location Slice profile m + = m x +im y ~ b 1 (t)e -i G zzt dt = B 1 ( G z z) 5/4/

44 Slice selection/thickness Band-limited Radiofrequency pulse

45 Frequency encoding

46 Readout and phase encoding

47

48 4. Properti Citra MRI Spatial resolution Contrast resolution Signal to noise ratio Contrast to noise ratio Artifacts

49 Resolusi Spasial N f =256 D Ditentukan oleh: Ketebalan irisan FOV sepanjang Pengkode fase FOV sepanjang pengkode frekuensi Jumlah langkah pengkoean fase Jumlah sampel pengkodean frekuensi N f =256 d Luas Pixel = FOV p /N p FOV f /N f Volume pixel = luas pixel ketebalan irisan

50 Signal to noise ratio (SNR) N a 1 2 bv 2 a adalah konstanta tergantung pada koil penerima b adalah konstanta tergantung pada pasien dan medan B1 n Adalah frekuensi peresonan 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? 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

51 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 N 2

52 It s a little more complicated... SNR 1 H 1 f s N N f N ave 0 samp f 1H is the proton density n f s is the voxel volume N n is the number of frequency encoding steps N f is the number of phase encoding steps N ave is the number of averages for each phase encoding step n samp is the sampling bandwidth n 0 is the Larmour frequency (resonant frequency) f is a function depending on the coil, pulse sequence, flip angle, TE, TR, etc, etc. etc.

53 Contrast Resolution Kontras antara 2 jaringan C = S 1 - S 2 Dengan S 1 and S 2 adalah intensias kedua jaringan S 1 CNR = (<S> - <S ref >)/s ref Dimana <S> adalah sinyal rata-rata dalam ROI dan <S ref > and s ref adalah sinyal rerata dan standar deviasi pada ROI jaringan referensi S 2 CNR naik akan membuat lesi semakin mudah terlihat

54 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

55 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

56 Magnetic Inti MRS 1 H 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 31 P, 13 C, and 19 F.

57 Case 1: MRS and Brain cancer

58

59

60

61

62 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.

63 Therapeutic guidance, assessment of response and recent development

64 Case2 : MRS and Prostate

65 TERIMA KASIH