„What is NMR?” nuclear: properties of nuclei of atoms magnetic: magnetic field required resonance: at a specific frequency NMR MR: Why the name change? most likely explanation: nuclear has bad connotations
• Signal from the object itself
• No injection of radioactive isotopes (unlike PET or SPECT) • Rich contrast mechanisms, good soft-tissue contrast • MRI operates in RF range, non-ionizing (unlike CT)
T1 Weighted Image (T1WI)
Short TE, Short TR
T2 Weighted Image (T2WI)
Long TE, Long TR
X-Ray, CT
MRI Excites Protons
The Big Magnet Main field = B0 Tesla and Gauss are units of magnetic field strength 1 Tesla (T) = 10,000 Gauss (G or Gs) Earth’s magnetic field ≈ 0.5 G 4 Tesla = 40,000 G ≈ 80,000X Earth’s magnetic field Continuously on! Very strong!
Magnet safety Robarts Research Institute 4T
x 80,000 = Source: www.spacedaily.com
B0
MRI scanner
An Introduction to MRI Physics and Analysis Michael Jay Schillaci, PhD
MR TÍPUSOK I. Permanens mágneses MR berendezések • Tulajdonságok: állandó mágnes komponensek által szolgáltatott függőleges orientációjú B0 mező. Ferromágneses C-ívvel épített, oldalról nyitott konstrukció. 0,1 Tesla....0,35 Tesla B0; 20mT/m...35 mT/m gradiensek, 4 MHz...12 MHz f0 proton frekvencia. • Előnyök: oldalról nyitott vizsgálati térrész, kényelmes páciensasztal, alacsony beszerzési, telepítési és fenntartási költségek, főként végtagi és fej vizsgálatokra • Hátrányok: gyenge vagy közepes anatómiai felbontás, átlagos szöveti kontraszt, korlátozott szekvencia készlet, hőstabilitás. Erős szórt tér, nagy tömeg, mágneses tér nem szüntethető meg. 1990 óta több generációs fejlődésen ment keresztül, mind a mai napig kínálati listán szerepeltetik japán, európai és amerikai MR gyártók. Fő piac a kis-közepes radiológiai és belgyógyászati magánpraxis, esetenként kiegészítő képalkotó eszköz nagyobb egészségügyi intézmények traumatológiai stb. ellátásnál. Siemens Magnetom C! 0.35T, Hitachi Aperto 0.4T, Toshiba Access 0.064T
MR TÍPUSOK II. Rezisztív mágneses MR berendezések • Tulajdonságok: áramjárta vezetővel létrehozott, függőleges vagy vízszintes orientációjú B0 mező. Vasmagos C-íves és légmagos, álló tekercses kivitelek. Oldalról nyitott konstrukció. 0,2 Tesla....0,6 Tesla B0; 20mT/m...40+ mT/m gradiensek, 8 MHz...35 MHz f0 proton frekvencia
• Előnyök: oldalról nyitott vizsgálati térrész, kényelmes páciensasztal, kis méret és tömeg, közepes beszerzési, telepítési és fenntartási költségek. Mágneses tér kikapcsolható
• Hátrányok: közepes anatómiai felbontás, átlagos szöveti kontraszt, korlátozott szekvencia készlet. Erős szórt mágneses mező, működéshez nagy energia és hűtési igény 1990-es évek eleje óta vannak gyártmányok, szűkebb a választék, mint az előnyösebb tulajdonságú permanens mágneses gépekből. Fő piac a kisközepes radiológiai és belgyógyászati magánpraxis. Hitachi Airis II 0.3T, Siemens Open Viva 0.2T; FONAR 0.6T
MR TÍPUSOK III: Szupravezető mágneses MR berendezések • Tulajdonságok: LHe hőmérséklettű szupravezető tekerccsel létrehozott, vízszintes orientációjú B0 mező. Alagút vagy gyűrű alakú gantry; klinikai alkalmazásban 1Tesla....3 Tesla B0; 20mT/m...80 mT/m gradiensek, 40MHz...120 MHz proton frekv. • Előnyök: teljes test vizsgálatra alkalmas, korlátlan szekvencia készlet. Kiváló anatómiai felbontás és szöveti kontraszt, univerzális klinikai és kutatási alkalmazás. Dinamikus mezőárnyékolás, kis szórt tér. Mágneses tér megszüntethető. • Hátrányok: magas telepítési és üzemeltetési költségek. B0 és gradiens mező miatti fiziológiai hatások. Mágnesleállás költséges Igényes közepes vagy nagy klinikai és kutató helyek alaptípusa, a radiológia diagnosztikai alapeszköze. 1990-es évek óta óriási fejlődésen ment át a mágnes, a gradiens és az RF jelfeldolgozási technika. Széleskörű alkalmazások, általános anatómiai és teljes test képalkotás, funkcionális MRI, MRS és páciens komfortot szolgáló egységek jellemzik. General Electric Signa family 1,5T; Philips Achieva, Intera 1,5T-3T; Siemens Magnetom family 1,5T-3T
Spin • Spin (intrinsic magnetic and angular moment of a certain nucleus) • Nuclei with nonzero spin are MR-active only • Pairs of spins tend to cancel each other, so only atoms with an odd number of protons and/or neutrons have net magnetic momentums • MR active nuclei are 1H, 13C, 19F, 23Na, 31P • MR inactive nuclei are 12C, 4He,16O and 32S
Hydrogen • Hydrogen nuclei (protons) have spins • Hydrogen is MR-sensitive • The human body is primarily fat and water (both contain hydrogen)
• Hydrogen is most commonly used in MRI
Hydrogen without magnetic field • Normally, spins are randomly oriented • No net magnetization (M=0)
Hydrogen in magnetic field • Compasses in a dryer analogy
Hydrogen in magnetic field • At 1.5 T the net magnetization (M) is equivalent to 1 per million nuclear spin oriented along the direction of the field.
B0
Precession
Precession • If M is not parallel to B0, then it precesses clockwise around the direction of B0 0
• Precession has a characteristic (resonance) frequency called „Larmour” frequency: ω0=γB0
• “Normally” (fully relaxed situation) M is parallel to B0, and therefore does not precess
Excitation • We can’t detect M until it is paralell to B0 • An oscillating B1 magnetic field can change the orientation of net magnetization • B1 (RF pulse) must rotate at „Larmour” frequency • Once excited, magnetization precesses at resonance frequency
Excitation
Signal detection • B1 (90-degree pulse) is switched off when the M lies in the x-y plane • M precesses on • Changing magnetic field creates an electric field (Faraday’s law of electromagnetic induction) • Conversion of rotating magnetization to electrical signal (coil)
Signal detection
Signal detection
Signal detection
FID (Free Induction Decay) • Most basic signal from a spin system • Arises from the action of B1 • „Free”: free precession of magnetization about the B0 field • Induction: signal was produced based on Faraday’s law • Decay: characteristic decrease with time of the signal amplitude
MR signal decays in time • T1 relaxation • T2 relaxation • T2* relaxation
T1 relaxation • Synonyms: Spin-lattice relaxation, thermal relaxation, longitudinal relaxation • Spins preferentially align with the static magnetic field (B0) • Following a 90-degree flip, the longitudinal magnetization (Mz) will return to its equilibrium value • Speed of regrowth of Mz has time constant: T1 (tissue-specific, magnetic field dependent)
• Energy exchange between the spins and surrounding lattice (spin-lattice relaxation)
Longitudinal Magnetization
T1 relaxation
T2 relaxation • Synonyms: Spin-spin relaxation, transverse relaxation
• Random tumbling of neighbouring nuclei • cause random fluctuations in the local magnetic field Larmour frequency
fluctuations in
• Flipped nuclei start off all spinning together, but quickly become incoherent (out of phase) • Irreversible process by which the transverse magnetization (Mxy) dephase/decay
• Speed of decay of Mxy has time constant: T2 (tissue-specific)
T2 relaxation all the spins in phase
slight increase/decrease in Larmour frequency
Transverse Magnetization
T2 relaxation
T1 and T2 relaxations
T2* relaxation • Inhomogeneity in magnetic field increases the rate of spin coherence T2 relaxation • This inhomogeneity is caused by • nonuniformity in the static magnetic field • the magnetic susceptibility of patient tissue (field is strengthened or weakened by the presence of the material)
• T2* is the time required for 63% of the transverse magnetization to decay in the presence of field inhomogeneity
FID (Free Induction Decay)
Magnetic resonance: summary • Polarization: in external magnetic field (B0), protons align to create magnetization • Excitation: RF pulse (B1) tips magnetization away from B0 (Z axis) • Precession: excited magnetization rotates about B0 • Detection: magnetization induces current (signal) in tuned coil close to object • Relaxations: magnetization slowly returns to alignment with B0 (T1 relaxation); loss of phase coherence due to inhomogeneity (T2, T2* relaxation)
Bloch Simulator • http://www.drcmr.dk/BlochSimulator/
Spin echo • Simple extension to the FID experiment • The 90-degree (excitation) pulse is followed by a 180-degree (refocusing) pulse • The particural benefit of the spin echo is in cases where imperfections in the uniformity of the static (B0) magnetic field exist
Spin echo Right after the excitation the magnetization is maximal
Spin echo Loss of phase coherence due to T2* relaxation
Spin echo Refocusing pulse is applied
Spin echo The last must be the first and the first must be the last
Spin echo The magnetization is recreated
Spin echo
6
3
1
180
90
t=TR
5
2
4
RF pulse
Echo t=TE FID
Signal
Detected signal Loss of phase coherence
Recovery of phase coherence
Spin echo
T2 vs T2* relaxation • SE can refocus only part of the signal decay • With refocusing signal will have T2 contrast • Without refocusing signal will have T2* contrast
TE
Important sequence timing parameters • TE: echo time, or the time between excitation and readout (in spin echo, the time of echo) • TR: repetition time, the time between repeated excitations of the same sample • The value of the repetition time (TR) and the echo time (TE) can be varied to control contrast in spin echo imaging.
TR and T1 contrast • T1 vary for different tissues • Tissue A has longer T1 than tissue B (T1A>T1B) • If TR is short the longitudinal magnetization of tissue A will recover less than the longitudinal magnetization of tissue B • Thus, the transverse magnetization amplitude of tissue B will be higher after the next excitation.
Signal
TR and T1 contrast
Short TR Difference due to T1 relaxation Short TE No difference from T2 relaxation
Short TR
TE and T2 contrast • Signal decays faster in some tissues than others (T2 vary for different tissues) • By setting the TR to long values, the T1 effect on tissue contrast will be reduced. • If TE is long enough (but not too long), differences in transverse relaxation will alter tissue contrast
TE and T2 contrast Long TR No difference from T1 relaxation Short TE No difference from T2 relaxation Long TE Difference due to T2 relaxation
Long TR
T1 Weighted Image (T1WI)
Short TE, Short TR
T2 Weighted Image (T2WI)
Long TE, Long TR
