Times, 2003. október 9
MRI: orvosi diagnosztikát forradalmasító képalkotó módszer
This Year’s Nobel Prize in Medicine Non-invazív
The Shameful Wrong That Must Be Righted This year the committee that awards The Nobel Prize for Physiology or Medicine did the one thing it has no right to do: it ignored the truth. Eminent scientists, leading medical textbooks and the historical facts are in disagreement with the decision of the committee. So is the U. S. Patent Office. Even Alfred Nobel’s will is in disagreement. The committee is attempting to rewrite history. The Nobel Prize Committee to Physiology or Medicine chose to award the prize, not to the medical doctor/research scientist who made the breakthrough discovery on which all MRI technology is based, but to two scientists who later made technological improvements based on his discovery.
MRI
MRI történelem
• Történelem
• 1970 - Raymond Damadian: rákos és normál szövetek T1 és T2 relaxációs idői különböznek.
• MRI alapok
• 1972 - Raymond Damadian: US patent
Magspin, precesszió, rezonancia, gerjesztés-relaxáció
• MRI képalkotás I. Térkódolás II. Képrekonstrukció III. Színkontraszt IV. Szkennerek V. Kontrasztanyagok VI. Műtermékek VII. Veszélyek, kontraindikációk
• Alkalmazások, a jövő irányai
• 1973 - Paul Lauterbur: 2D MR képalkotó módszer • 1974 - Peter Mansfield: 3D MR képalkotó módszer • 1977 - Raymond Damadian: az első MR szkenner (“focused field” módszer) • 2003 - Nobel-díj: Lauterbur, Mansfield • NMR: Legtöbb Nobel-díjjal kitüntetett módszer (6) Otto Stern (1942), Isidor Rabi (1944), Felix Bloch, Edward Purcell (1952), Richard Ernst (1991), Kurt Wüthrich (2002)
MRI alapok MRI működése - rövid összefoglalás
I. az eredő spinnel rendelkező atommagok elemi mágnesek
Gerjesztő impulzus
Atommag tömege:
B0
B0
mproton = 1,67.10-24 g
B0 Tekercs
Atommag perdülete:
L = l ( l + 1) l = spin kvantum szám
A proton RF hullámot emittál gerjesztést követően.
B0
Otto Stern
Atommag töltése:
qproton = 1,6.10-19 C
Kriogén mágnes
Rádiofrekvenciáns tekercs Grádiens tekercs
Vízmolekula Képanalízis (2D-FFT)
W. Gerlach
Atommag eredő mágneses momentuma:
NMR berendezés
μ i = γL γ = giromágneses hányados L = magspin
MRI-ben hasznos atommagok: 1H, 13C, 19F, 23N, 31P
MRI alapok
MRI alapok II. Mágneses térben a magspinek orientálódnak
Mágneses tér hiányában: elemi mágnesek orientációja random
Az orientált magspinek precessziós mozgást végeznek
Precessziós vagy Larmor frekvencia:
ω 0 = γB0
Mágneses térben: elemi mágnesek orientálódnak
B0
parallel
fLarmor =
energiaszintek felhasadnak
E
γ B0 2π
-1/2
ΔE=hf=μB0 +1/2 Edward Purcell, 1946
antiparallel
B0
B
Felix Bloch, 1946
Makroszkópos mágnesezettség különböző energiaszinteken spintöbblet miatt
MRI alapok III. rádófrekvenciás sugárzással a rendszer gerjeszthető Rezonancia feltétel: Larmor frekvencia
Alacsony energiájú álapot parallel a proton esetében
B0 M
A nagy (parallel) ill. alacsony (antiparallel) energiájú spinállapotok aránya:
μi B0 = mágneses tér M = makroszkópikus mágnesezettség
N antiparallel N parallel
=e
−
M
ΔE kB T B0 = mágneses tér M = makroszkópos mágnesezettség B1 = besugárzott elektromágneses tér
(Boltzmann-eloszlás)
MRI-ben alkalmazott mágneses térerő: Föld mágneses térerejének 20-50 ezerszerese
B1
MRI-ben alkalmazott elektronágneses sugárzás: Rádiófrekvencia
Nagy energiájú állapot antiparallel a proton esetében
Spin-rács relaxáció
Spin-spin relaxáció
T1 vagy longitudinális relaxáció
T2 vagy tranzverzális relaxáció
Mxy
Mz
“free induction decay”
(FID)
t T1 relaxációs idő: elemi mágnes (proton) és környezete közötti kölcsönhatásra utal
t
T2 relaxációs idő: elemi mágnesek (protonok) közötti kölcsönhatásra utal
Spin-spin relaxáció
A “spin-echo” kísérlet
T2 vagy tranzverzális relaxáció Ismétlődő gerjesztő és relaxációs impulzusok: spin-echo szekvencia
Gerjesztő impulzus (90˚)
Gerjesztő impulzus (90˚)
Refókuszáló impulzus (180˚)
Refókuszáló impulzus (180˚)
TURN BACK !!
Erwin Hahn, 1949
T2 T2*
Kontraszt lehetőség a spin rendszerek kölcsönhatásai alapján
Kontrasztot adó relaxációs mechanizmusok Spin-rács relaxáció
Hidrogén-hidak
SZABAD VÍZ
Bloembergen
M
Pound
T1
Spin-spin relaxáció
T2
Purcell
Nagy mobilitás
t INTERMEDIER RÉTEG
δ+ δδ- O
δ+
δ+
δ+
OC
δ
C
δ-
δ+δ
B0
B0
M
δ+ -
δ+
δ- C δ+
δδ+
N
δ+
KÖTÖTT VÍZ RÉTEG
M
Ferhérje, polimer, membrán Alacsony mobilitás
t
Idő
Idő
t
δ+
A longitudinális mágnesezettség helyreállása
A tranzverz mágnesezettség fázis szerinti deszinkronizációja
Energiaátadás a rácsnak (fononok - kollektív gerjesztett állapot rugalmas közegben)
Energiaátadás a spinek között
Entrópianövekedéssel jár
A spinrendszer entrópiája nem változik
Spin repopuláció az spin-energiaszintek között
Nincs spin repopuláció az spin-energiaszintek között
Kölcsönhatás a mágneses tér fluktuációval a Larmor frekvencián
Kölcsönhatás a mágneses tér fluktuációval alacsony frekvencián
MRI: az emberi test makroszkópikus mágnesezettségét hozza létre
Az NMR-től az MRI-ig
Downstate Medical Center - Brooklyn, 1972
ω= γ B Rezonanciafeltétel lokálisan teljesül
Raymond V. Damadian
Az első MRI felvétel
“Indomitable” - rettenthetetlen 1970: megnőtt relaxációs idők rákös szövetben 1972: humán invivo 3D NMR elvének kidolgozása 1977: felső emberi MRI felvétel
Inhomogén mágneses tér (focused field NMR)
Térben változó mágneses tér létrehozása: “grádiens” tekerecsekkel
MRI képalkotás I. Térbeli kódolás
X-grádiens tekercs
y-tekercs z-tekercs
Bz
voxel
x-tekercs
Grádiens tekercsek
Y-grádiens tekercs Jelvevő tekercs beteg
Z-grádiens tekercs Paul C. Lauterbur (1929-) Térbeli felbontású NMR kidolgozása
Bx
Elemi 3D képpontok (voxel) definiálása és címezhetősége: grádiens tér segítségével
By
MRI Képalkotás MRI: térbeli kódolás és képrekonstukció II. Képrekonstrukció
a precesszió térfüggő frekvenciaváltozásán alapul
1.“Backprojection” (“visszavetítés”) Peter Mansfield, 1973, Nottingham
Paul Lauterbur, 1973, Illinois
RF tekercs
Nobel-díj (2003, Élettan és Orvostudomány)
Fourier transzformáció
2. 2D Fourier transzformáció Richard Ernst, 1974, Zürich Nobel-díj (1991, Kémia)
MRI képalkotás
MRI képalkotás:
III. színkontraszt felbontása IV. Szkennerek
„A” szövet „B” szövet
Rövid T1
Tranzverzális jelveszteség
spinsűrűség és relaxációs idők alapján
Hosszú T1
Liquor Zsír
Hőskor Idő (ms)
Jelen Intervenciós MRI egység
T1-súlyozás
protonsűrűség-súlyozás
T2-súlyozás
Nyitott MRI egység
Mobil MRI
MRI képalkotás:
MRI képalkotás:
V. Kontrasztanyagok
VI. Műtermékek
Pozitív: paramágneses elemek (T1 kontraszt): Gd, Mn
• Mozgás
Negatív: szuperparamágneses, ferromágneses (T2 kontraszt): FeIII, MnII
• Fémek (implantátum, sérülés)
CT
MR T2
Haemochromatosis hepatis (vasfelhalmozódás a májszövetben)
MRI képalkotás:
Mozgási műtermék
Fém az orbitában
Alkalmazások: Anatomiai képalkotás sclerosis multiplex
VII. Veszélyek, kontraindikációk • Sztatikus mágneses tér - fémtárgyak Kontraindikációk: beépített eszközök (pacemaker, defibrillátor, hallókészülék, csontnövekedést serkentő készülék, gyógyszeradagoló), neurostimulátorok, agyi aneurysma csatok, régi típusú szívbillentyúk Proton súlyozás (sagittalis)
• Grádiens tér - áramindukció • Rádiófrekvenciás tér - hőhatás (szemlencse, here)
Proton súlyozás (transversalis)
T2 súlyozás (transversalis)
T1 súlyozás (kontrasztanyaggal)
Anatomiai képalkotás: Onkológia
T2 súlyozás (cysta)
Anatomiai képalkotás csont és lágyrészek
T1 súlyozás kontrasztanyaggal (Emlő carcinoma)
Rheumatoid arthritis Rheumatoid arthritis térd csukló
Proton sűrűség (Agyi metastasis)
T2 súlyozás (szalag szakadás) T2 súlyozás (chondrosarcoma)
T2 súlyozás (hernia) T2 súlyozás (cervix carcinoma)
T2 súlyozás (prostata carcinoma)
Osteoporosis (femur)
MRI:
Az MRI sokkal több mint anatomiai képalkotás ...
Non-invazív angiográfia képszelet telített spinek
véráram
telítetlen spinek
2010
Kutatásban - a jövő 1972 ‘State of the art’ Első MRI képek
• 3D képek • dinamikus képalkotás • nagy felbontás
• kvantitatív képalkotás • sejtspecifikus kontrasztanyagok • in vivo spektroszkópia • funkcionális képalkotás • multimodális képalkotás
Arteria carotis
Circulus arteriosus Willisii
MRI mozgókép Nagy időfelbontású felvételek alapján
MR Spektroszkópia
• Kémiai eltolódás (chemical shift) • Metabolitok azonosítása • Tumordiagnosztika Aortabillentyű nyitódása - záródása
Diffúziós képalkotás
Funkcionális MRI (fMRI) Élettani folyamattal szinkron felvett Nagy időfelbontású képsorozat
Anizotróp vízdiffúzió: kontrasztkpződés
Idegpályák visgálata: traktográfia
Corpus callosum
Aktiváció az acusticus cortexben
Villogó fény hatása a látókéregre
MRI információ szuperponálása egyéb információval (PET)
Szuperponált MRI és PET képsorozat
PET aktivitás: szemmozgatás során Térbeli rekonstrukció
