MRI Physics by seyad mohammad amini

MRI Physics : 

MRI Physics Sayed Mohammad Amini Msc student of Medical Nanotechnology Tehran University of Medical Sciences School of Advanced Medical Technology Medical Nanotechnology department

Kinds of Magnetism : 

Ferromagnetic materials (e.g., Iron) Both attract and repel other magnets Create own field Paramagnetic materials (e.g., Gadolinium) Attracted toward magnets Align with other fields Diamagnetic materials (e.g., Water) Repelled by magnets Anti-align with other fields Kinds of Magnetism

Properties of Atomic Nuclei : 

Nuclei have two properties: Spin (conceptual, not literal) Charge (property of protons) Nuclei are made of protons and neutrons Both have spin values of ½ Protons have charge Pairs of spins tend to cancel, so only atoms with an odd number of protons or neutrons have spin Properties of Atomic Nuclei

Slide 4: 

فقط آن دسته از اتمها با پروتونها يا نوترونهای جفت نشده (مانند هيدروژن H ، سديم 23Na ، فسفر31Pb، کربن 13C ) ممکن است باعث ايجاد علامت NMR شوند. از ميان تمام هسته هاي جفت نشده ،هيدروژن ساده ترين آنها است چون تنها يك پروتون دارد و امروزه مهمترين اتم مورد استفاده MRI، هيدروژن است چونكه 3/2 بدن انسان از هيدروژن ساخته شده است . MRI با هسته هاي به غير از هيدروژن نيز در بدن امكان پذير است ولي تصاوير حاصله به علت پايين بودن حساسيت و عدم فراواني اين هسته ها ضعيف تر از تصاوير حاصل از هيدروژن است.

In a magnetic field, protons can take either high- or low-energy states : 

In a magnetic field, protons can take either high- or low-energy states

Slide 6: 

پس از قرار گرفتن در يك ميدان مغناطيسي خارجي پروتون‌ها در امتداد ميدان مغناطيسي قرار گيرند.  هر چه قدر درجه حرارت محيط بيشتر باشد بي‌نظمي بيشتر است چون حركت مولكول‌ها شديدتر مي‌گردد.

Slide 7: 

net magnetic moment is zero Randomly oriented protons هم راستایی

Slide 8: 

تعداد پروتون‌هايي كه در جهت ميدان قرار مي‌گيرند اندكي بيش از تعداد پروتون‌هايي است كه در خلاف جهت ميداني قرار مي‌گيرند مثلا: در جهت ميدان Spinup 1+ 1000000 خلاف جهت ميدان spin down 1-1000000 چون اين اعداد در عدد آورگادرو ضرب مي‌شوند. تفاوت spin up و spin down خيلي بزرگ مي شود. در نتيجه بيشتر به علت جهت ( میدا مغناطیس خارجی استاتیک) B رديف مي‌شود و ميزان نيروي آن هم برآيند Spin down و spin up است.

Slide 9: 

پروتونها علاوه برواكنش اسپيني حركت جنبشي ،حركت تقديمي نيز نسبت محوري كه شامل ميدان مغناطيسي B است را دارند. به فركانس حركت تقديمي فركانس لارمور گويند كه اين فركانس متناسب با قدرت ميدان مغناطيسي اعمال شده است گاما (نسبت ژیرو-مغناطیس) مقدار ثابتی است که ارتباط بین اندازه مومنتوم زاویه ای و گشتاور مغناطیسی هر هسته ی فعال را از نظر تشدید مغناطیسی را بیان میکند و بر حسب MH/T است

Precession in Magnetic Field : 

Precession in Magnetic Field فرکانس حرکت تقدیمی نسبت ژیرومغناطیس

تشدید : 

زمانی اتفاق میافتد که سیستم در معرض یک آشفتگی نوسانی با فرکانسی نزدیک به فرکانس نوسان طبیعی خود سیستم قرار گیرد تشدید

نتایج تشدید : 

دور شدن NMV از راستای B0و ایجاد زاویه انحراف((filp angle بزرگی زاویه ی انحراف به شدت و مدت دوام پالس RF دارد گشتاور مغناطیسی هسته های هیدروژن که NMV عرضی را تشکیل میدهند هم فاز میشوند نتایج تشدید

Slide 13: 

The MR Signal

Free induction decay (FID) : 

Basic MRI measurement: Homogeneous static magnetic field (B0) RF pulse generator Antenna (coil) for sending and receiving Free induction decay (FID) signal Free: No external RF field during detection Exponential decay at rate T2* due to spin-spin relaxation (dephasing) and local field inhomogeneities Free induction decay (FID)

Free Induction Decay (FID)Signal : 

با قطع پالس RF ،NMV مجددا با B هم راستا میشود Relaxation بردار مغناطیس طولی ↑ بردار مغناطیس عرضی ↓ Free Induction Decay (FID)Signal مرحله ای که NMVانرژی RF را دست میدهد Recovery Decay ولتاژ القایی در سیم پیچ گیرنده نیز کاهش می یابد(FID)

Relaxation : 

Relaxation “Lattice” means the material (i.e., tissue) the 1H nuclei are embedded in 1H nuclei are not the only things around that have magnetic moments Other species of nuclei Electrons What are spin-lattice relaxation and spin-spin relaxation? What do time constants T1 and T2 mean? Spin-Lattice Relaxation (T1 Recovery) Spin-Spin Relaxation (T2 Decay)

مدت زمانی که طول میکشد تا NMV در بافت به 63% مقدار اولیه برسد : 

مدت زمانی که طول میکشد تا NMV در بافت به 63% مقدار اولیه برسد T1 Recovery T2 decay مدت زمانی که طول میکشد تا 63% از بردار NMV عرضی از دست برود

summary : 

آسایش T1 منجر به بازیافت مغناطیس طولی به واسطه ی پراکندگی انرژی به شبکه ی اطراف میشود آسایش T2 منجر به از دست رفتن بردار مغناطیس عرضی به علت برهمکنش بین میدانهای مغناطیسی هسته های مجاور میشود تنها هنگامی ولتاژ در سیم پیچ گیرنده القا میشود که بردار مغناطیس همفاز در صفحه عرضی وجود داشته باشد summary

Slide 19: 

TR:فاصله ی زمانی بین اعمال یک پالسRF تا اعمال RF بعدی TE:فاصله ی زمانی بین اعمال یک پالسRF تا قله ی سیگنال القایی در سیم پیچ A basic pulse sequence

Image Weigthing and Contrast : 

چربی ،عضله و مایع مغزی نخاعی بردار های NMV مجزا تشکیل میدهند بافت با NMV عرضی بزرگ ←سیگنال بالا⇐ایجاد ناحیه روشن بافت با NMV عرضی کوچک ← سیگنال پایین ⇐ ایجاد ناحیه تیره بطور کلی دو انتهای کنتراست در MRI چربی و آب هستنند ⇐ γهیدروژن آب بیشتر از γهیدروژون چربی است Image Weigthing and Contrast

Slide 22: 

بازیافتT1در چربی نوسان مولکولی(Tumbling) آرام در چربی ⇐بازیافت سریع بدین معنی که Pهای چربی به سرعت به آسایش رسیده و NMV چربی به سرعت با B همراستا می شود ⇐ T1 چربی کوتاه تر است بازیافتT1درآب نوسان مولکولی آب زیاد است و از آنجا که انرژی دریافتی از پالس RF در بازیافت T1 به شبکه ی اطراف پس داده میشود Pهای آب به زمان بیشتری برای به آسایش رسیدن و حصول مجدد بردار طولی دارند T1 اب طولانی تر از T1 چربی

Slide 23: 

استحاله T2 در چربی و آب T2 Decay به دنبال برهمکنش میدان مغناطیسی Pها با یکدیگر رخ میدهد. مبادله انرژی در هیدروژنهای چربی بهتر صورت گرفته در نتیجه T2 در چربی کوتاه تر از آب و در حدود ms 80 است

کنتراست T1 : 

T1 چربی کوتاهتر از آب ⇐NMV طولی چربی بزرگتر از آب است بعد ازTR معین پالس RF بعدی(90) اعمال میگردد که NMV طولی آب و چربی را به صفحه ی عرضی منحرف می کند ⇐بعد ازRF دوم بردار مغناطیسی عرضی بلندتری در چربی نسبت به آب ایجاد میشود که موجب سیگنال بیشتر چربی و ایجاد ناحیه روشن برای چربی میشود((T1 weigthing کنتراست T1

کنتراست T2 : 

T2 چربی کوتاهتر از آب است ⇐NMV عرضی آب بیشتر است و آب دارای سیگنال بالایست و در تصاویر با کنتراست T2 روشن به نظر میرسد و چربی تیره به نظر می رسد((T2 Weigthing کنتراست T2

کنتراست دانسیته پروتونی : 

به اختلاف شدت سیگنال بین بافت برمی گرددکه نتیجه ی تعداد نسبی پروتونهای بافت ها در واحد حجم است. کنتراست دانسیته پروتونی

T1-weighting : 

T1-weighting Short TR: Maximizes T1 contrast due to different degrees of saturation Short TE: Minimizes T2 influence, maximizes signal

T2 weighting : 

T2 weighting Long TR: Reduces saturation and minimizes influence of different T1 Long TE: Maximizes T2 contrast Relatively poor SNR

Spin density weighting : 

Spin density weighting Long TR: Minimizes effects of different degrees of saturation (T1 contrast) Maximizes signal Short TE: Minimizes T2 contrast Maximizes signal

T2* Decay : 

سریتر از T2 است چونکه ناشی از خود T2 غیر همفاز شدن در نتیجه ی غیریکنواختی های میدان مغناطیسی T2* Decay هسته در میدان قویتر فرکانس و سرعت بیشتر و هسته در میدان ضعیف تر فرکانس تقدیمی و سرعت کمتری دارد که این امر موجب وافازی سریع (اکسپونانسیل)NMV میشود وافازی حاصل از غیریکنواختیها را میتوان با یک پالس RF 180 جبران کرد این توالی پالس را توالی پالس اسپین اکو می نامند

همفازی سیگنال : 

همفازی سیگنال

همفازی سیگنال : 

همفازی سیگنال

همفازی سیگنال : 

همفازی سیگنال

همفازی سیگنال : 

همفازی سیگنال

توالی پالس اسپین اکو : 

توالی پالس اسپین اکو

پارامترهای زمانبندی در اسپین اکو : 

TR: زمان بین 2 پالس RF متوالی :TEزمان بین پالس RF 90 وقله ی سیگنال اسپین اکو TAU در اسپین اکو از یک دو یا چهار پالس RF 180 برای تولید یک دو یا چهار تصویر می توان استفاده نمود. اسپین اکو با استفاده از یک اکو ⇐T1-weighting Image اسپین اکو با استفاده از دو اکو ⇐ Spin density weighting and T2 weighting Image پارامترهای زمانبندی در اسپین اکو

دستگاهوری : 

همه دستگاههای MRI شامل سه قسمت اصلی زير هستند: 1- ميدان مغناطيسی اصلی 2- توليد کننده ی ميدان مغناطيسی متغيير (گراديان ميدان مغناطيسی) 3- توليد کننده و دريافت کننده امواج راديويی دستگاهوری

Slide 38: 

1- ميدان مغناطيسی اصلی براي بوجود آمدن يك تصوير MR قدرت ميدان مغناطيسي مورد نياز براي بيشتر سيستم هاي MRI در حدود T2 تا T0/2 تسلامي باشد. عنصر كليدي در هر دستگاه رزونانس مغناطيسي MR آهنربا يا مگنت توليد كنندۀ ميدان مغناطيسي اصلي است كه بايد ميدان مغناطيسي يكنواختي (Bo)را توليد كند روي اين ميدان ، يك ميدان مغناطيسي متغيير و پالس هاي راديوئي RF قرارمي گيرند كه براي تصوير برداري مورد نياز است.

Slide 39: 

نوع آهنربايي كه براي توليد ميدان B0 بكار برده مي شود هيچ رابطه اي با پروتونهاي مورد مطالعه ندارد و عكس العمل پروتونها به يك ميدان مغناطيسي خارجي B0 نيز به نوع مگنتي كه اين ميدان را بوجود آورده است ربطي ندارد. با توجه به دستگاه هاي مدرن MR عوامل قدرت و نوع مگنت فقط دو عامل از چند عاملي (گراديان،امواج راديوئي وسايل الكتريكي و ...) هستند كه در كيفيت نهايي دستگاه MRI سهم دارند .

چهار روش براي توليد ميدان مغناطيسي اصلي : 

چهار روش براي توليد ميدان مغناطيسي اصلي

Slide 41: 

2- سيستم گراديان مغناطيسي اگر چه ميدان اصلي داراي قطب شمال وجنوب مي باشد ولي بايد تا آنجا كه ممكن است يكنواخت باشد (يعني در كل حجم ميدان ، قدرت ميدان ثابت باشد) با اعمال گراديان ميدان مغناطيسي ضعيف به ميدان يكنواخت اصلي ، پروتونهاي آب موجود در بافت بدن بيمار برايند اين دو ميدان را تجزيه مي كند و باعث تعيين موقعيت هاي فضايي علائم رزونانس مغناطيسي MR مي شوند .

Slide 42: 

3- سيستم فركانس راديوئي نقش اوليه اين زير سيستم RF توليد و انتقال سيگنال امواج راديوئي به گونۀ مورد مطالعه در فركانس رزونانسي مي باشد كه اين سيگنالها را با استفاده از سيم پيچها توليد مي كنند. سيم پيچ هاي توليد كنندۀ RF بزرگ مي باشند و معمولا“ يكنواختي آنها براي برانگيختگي بالا مي باشد و چون به كنترل فركانس RF نيازي نيست از اين رو از آمپلي فاير هايي با قدرت خروجي بالا استفاده مي كنيم.

Slide 43: 

 سيم پيچ هاي گيرنده كه علائم و سيگنالهاي دريافتي را مشخص مي كنند وبعد ازمشخص شدن يك دستگاه علائم دريافت كرده را از سيگنال مرجع در فركانس لارمور كم مي كند و اطلاعات سيگنالي تصوير را بر حسب KHZ يا MHZ گزارش مي دهند.

Slide 46: 

گشتاور مغناطیسی هیدروژن بردار مغناطیسی NMV(Net Magnetization vector) نامیده میشود برهمکنش NMV با B0 ( میدا مغناطیس خارجی استاتیک) مبنای MRI است