35
MRI Μιά μονάδα μαγνητικής τομογραφίας αποτελείται από τα εξής τμήματα: Τον κυρίως μαγνήτη Ο κυρίως μαγνήτης χρησιμοποιείται γιά να παράγει το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.Αυτό το πεδίο πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να μπορεί να προκαλέσει μετρήσιμη μαγνήτιση στους ιστούς.Συνήθη πεδία στην κλινική πράξη είναι από 0.3Τ-1.5Τ. Τα μαγνητικό πεδίο πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο ομοιόμορφο και ομοιογενές.Η ομοιογένεια καθορίζει την Συχνότητα Larmor και άρα την συχνότητα περιστροφής των πρωτονίων.Η ομοιογένεια μετράται σε ppm,μέρη ανά εκατομύριο,σ’ ένα συγκεκριμένο όγκο. Υπάρχουν τρείς τύποι μαγνητών.Οι μόνιμοι,οι υπεραγώγιμοι και οι μαγνήτες αντιστάσεως. Οι μόνιμοι κατασκευάζονται από κάποιο μόνιμα μαγνητισμένο υλικό.Μπορεί να δώσουν ένταση μαγνητικού πεδίου μέχρι και 0.5Τ. Οι υπεραγώγιμοι και οι μαγνήτες αντιστάσεως αποτελούνται από πηνία τα οποία διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.Το ρεύμα κατά την διέλευσή του μέσα από το πηνίο παράγει μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνήτες αντιστάσεως απαιτούν μεγάλη δαπάνη ενέργειας γιά την λειτουργία τους και γιά την ψύξη τους και έτσι περιορίζονται σε συστήματα μέχρι και 0.35Τ.Εχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν μαγνητικό πεδίο μόνο γιά όση ώρα διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.Μπορεί,δηλαδή,να ανοίξουν και να κλείσουν. Ειδικά στους υπεραγώγιμους μαγνήτες τα πηνία ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες,περίπου -270 βαθμούς Κελσίου, με την βοήθεια κάποιου ψυκτικού (π.χ. υγρό ήλιο) γιά να μηδενίζεται σχεδόν η αντίσταση που παρουσιάζουν

Mr i Principles

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Mr i Principles

Citation preview

Page 1: Mr i Principles

MRI

Μιά μονάδα μαγνητικής τομογραφίας αποτελείται από τα εξής τμήματα:

Τον κυρίως μαγνήτη

    Ο κυρίως μαγνήτης   χρησιμοποιείται γιά να παράγει το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.Αυτό το πεδίο πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να μπορεί να προκαλέσει μετρήσιμη μαγνήτιση στους ιστούς.Συνήθη πεδία στην κλινική πράξη είναι από 0.3Τ-1.5Τ.

    Τα μαγνητικό πεδίο πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο ομοιόμορφο και ομοιογενές.Η ομοιογένεια καθορίζει την Συχνότητα Larmor και άρα την συχνότητα περιστροφής των πρωτονίων.Η ομοιογένεια μετράται σε ppm,μέρη ανά εκατομύριο,σ’ ένα συγκεκριμένο όγκο.

Υπάρχουν τρείς τύποι μαγνητών.Οι μόνιμοι,οι υπεραγώγιμοι και οι μαγνήτες αντιστάσεως.

    Οι μόνιμοι κατασκευάζονται από κάποιο μόνιμα μαγνητισμένο υλικό.Μπορεί να δώσουν ένταση μαγνητικού πεδίου μέχρι και 0.5Τ.

    Οι υπεραγώγιμοι και οι μαγνήτες αντιστάσεως αποτελούνται από πηνία τα οποία διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.Το ρεύμα κατά την διέλευσή του μέσα από το πηνίο παράγει μαγνητικό πεδίο.

    Οι μαγνήτες αντιστάσεως απαιτούν μεγάλη δαπάνη ενέργειας γιά την λειτουργία τους και γιά την ψύξη τους και έτσι περιορίζονται σε συστήματα μέχρι και 0.35Τ.Εχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν μαγνητικό πεδίο μόνο γιά όση ώρα διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.Μπορεί,δηλαδή,να ανοίξουν και να κλείσουν.

    Ειδικά στους υπεραγώγιμους μαγνήτες τα πηνία ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες,περίπου -270 βαθμούς Κελσίου, με την βοήθεια κάποιου ψυκτικού (π.χ. υγρό ήλιο) γιά να μηδενίζεται σχεδόν η αντίσταση που παρουσιάζουν κατά την διεύλευση του ηλεκτρικού ρεύματος (φαινόμενο υπεραγωγιμότητας).Το μαγνητικό πεδίο είναι πάντα υπαρκτό και γι' αυτό χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στην πρόσβαση του χώρου που βρίσκονται εγκατεστημένοι.Είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται περισότερο στην συνήθη κλινική πράξη και φτάνουν μέχρι και τα 2Τ.

 

Τα shimming coils ή πηνία ομοιογένειας

    Η ομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου είναι ένα κρίσιμο σημείο γιά την ποιότητα των εικόνων που παράγει το συγκεκριμένο μηχάνημα.Η έλλειψη της ομοιογένεια του κυρίως μαγνητικού πεδίου οδηγεί σε μικρές διαφορές στην συχνότητα Larmor των πρωτονίων που βρίσκονται μέσα στο πεδίο.Μπορεί να οφείλεται είτε σε κατασκευαστικές ατέλειες είτε σε παρουσία σιδηρομαγνητικού υλικού κοντά στον

Page 2: Mr i Principles

μαγνήτη.Μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας τα shimming coils,μέσω μιάς διαδικασίας η οποία ονομάζεται shimming.

 

Τα Gradient Coils ή πηνία Βαθμίδας

    Τα πηνία βαθμίδας παράγουν μόνο ένα μικρό μαγνητικό πεδίο.Χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια της εξέτσης γιά να μεταβάλουν το κυρίως μαγνητικό πεδίο κατά έναν γραμμικό και προβλέψιμο τρόπο κατά μήκος των τριών αξόνων στον χώρο (x,y,z).Οι μεταβολές αυτές,προκαλούν αντίστοιχες μεταβολές στην Συχνότητα Larmor και μας βοηθούν να προσδιορίσουμε την θέση στον χώρο των πρωτονίων που βρίσκονται μέσα στο κυρίως μαγνητικό πεδίο.Χωρίς αυτά τα πηνία δεν θα μπορούσε να γίνει η κωδικοποίηση του σήματος στο χώρο(spatial enconding)(το να ξέρουμε δηλαδή,από πιό σημείο του χώρου παίρνουμε πιό σήμα).

 

Τα Radiofrequency Coils ή πηνία Ραδιοσυχνότητας

    Αυτά είναι τριών ειδών.Τα πηνία εκπομπής(transmit),τα πηνία λήψης(receiver) και τα πηνία εκπομπής-λήψης.

    Τα πηνία εκπομπής χρησιμοποιούνται γιά να διεγείρουν τους ιστούς στέλνοντας μιά ραδιοσυχνότητα,στην συχνότητα Larmor, σ’ ένα συγκεκριμένο τμήμα του σώματος που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο.

    Τα πηνία λήψης χρησιμοποιούνται γιά να ανιχνεύσουν και συλλέξουν το σήμα το οποίο εκπέμπεται από τους ιστούς.

    Πολλές φορές το ίδιο το πηνίο κάνει και την εκπομπή και την λήψη οπότε χαρακτηρίζεται σαν πηνίο εκπομπής-λήψης.

Υπάρχουν πηνία που είναι προσαρμοσμένα γιά διάφορες εξετάσεις και ανατομικές περιοχές,όπως πηνία εγκεφάλου,γόνατος,άκρας χειρός κ.λ.π.Συνήθως το πηνίο σώματος είναι ενσωματωμένο στο μηχάνημα,ενώ τα άλλα τοποθετούνται ανάλογα με την εξέταση.

 

Η λυχνία παραγωγής ραδιοσυχνοτήτων

    Χρησιμοποιείται γιά την παραγωγή των συχνοτήτων που αποστέλονται στα πηνία ραδιοσυχνότητας.Είναι μιά πολύπλοκη ηλεκτρονική διάταξη η οποία αποτελείται,κατά κύριο λόγο,από ένα synthesizer,ένα προγραμματιστή παλμών,έναν προενισχυτή και ένα ενισχυτή ισχύος.

Οι Υπολογιστές του συστήματος

Page 3: Mr i Principles

    Χρησιμοποιούνται γιά την επεξεργασία των δεδομένων,την παρουσίαση των εικόνων,την αποθήκευση και την ανάκλησή τους.

 

ΒΑΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Γενικά

    Τα άτομα αποτελούνται από το κέλυφος και τον πυρήνα.Το κέλυφος αποτελείται από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια,τα ηλεκτρόνια,τα οποία περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα.Ο πυρήνας αποτελείται από τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα ουδέτερα νετρόνια.

    Τα φορτισμένα σωματίδια,όπως τα πρωτόνια,δεν είναι ακίνητα αλλά περιστρέφονται.Το ηλεκτρικό φορτίο το οποίο κατέχουν περιστρέφεται μαζί μ’ αυτά.Είναι γνωστό ότι ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο παράγει μαγνητικό πεδίο.Ετσι μπορούμε να πούμε ότι τα πρωτόνια συμπεριφέρονται σαν μικροί μαγνήτες,με νότιο και βόρειο πόλο.

 

 

    Οταν ένα υλικό(π.χ. ιστός) βρίσκεται σε χώρο στον οποίο δεν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο,η διάταξη αυτών των μαγνητικών πεδίων είναι τυχαία και η συνισταμένη τους είναι μηδέν.

 

 

Εισαγωγή του υλικού σε μαγνητικό πεδίο

Τι γίνεται όταν αυτό το υλικό τοποθετηθεί μέσα σ’ ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο;

      Ενας μεγάλος αριθμός πρωτονίων,εξαιτίας των θερμικών κινήσεων,δεν παραλληλίζεται με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.Αυτά διατηρούν τον τυχαίο προσανατολισμό τους και άρα η συνισταμένη μαγνήτιση που δημιουργούν είναι μηδέν.

Τα υπόλοιπα πρωτόνια διατάσονται παράλληλα ή αντιπαράλληλα με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Page 4: Mr i Principles

Αυτά που διατάσονται παράλληλα με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι ελαφρώς περισσότερα σε αριθμό από αυτά που διατάσονται αντιπαράλληλα.

Ισος αριθμός από παράλληλα,με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο διατεταγμένα πρωτόνια εξουδετερώνονται με τα αντιπαράλληλα διατεταγμένα.

Αυτά που απομένουν και που είναι διατεταγμένα παράλληλα με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δημιουργούν μιά μικρή συνολική κατάσταση μαγνητικής ροπής Μο στους ιστούς,η οποία ονομάζεται μαγνήτιση Μο.

Αυτή η μαγνήτιση Μο είναι παράλληλη με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο Βο,δηλαδή παράλληλη προς τον επιμήκη (longitudinal) ή άξονα Ζ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

    Τα ξεχωριστά πρωτόνια δεν είναι διατεταγμένα απόλυτα παράλληλα με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο Βο,αλλά

εκτελούν γύρω από αυτό μιά περιστροφική κίνηση(precessing) υπό γωνία θ,που μοιάζει με την κίνηση της κορυφής μιάς σβούρας και περιγράφεται σαν κίνηση μετάπτωσης.Η ταχύτητα με την οποία «περιστρέφονται»,η ταχύτητα,δηλαδή,με την οποία εκτελούν την μεταπτωτική κίνηση γύρω από τον Βο είναι ανάλογη του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

 

Οσο ισχυρότερο το πεδίο τόσο πιό γρήγορα περιστρέφονται.Αυτό μας το περιγράφει η εξίσωση Larmor:

ω=γ . Βo

όπου ω=η συχνότητα περιστροφής,γ=ο γυρομαγνητικός λόγος,ο οποίος είναι διαφορετικός γιά διαφορετικά υλικά και Βο=η ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

 

 

 

    Χαρακτηριστικές τιμές της ω,γιά διάφορα υλικά δίνονται στον παρακάτω πίνακα:

Page 5: Mr i Principles

Πυρήνας 1H 2H 13C 31P

ω(MHz/Tesla) 29,16 42,58 10,7 17,24

 

Από τις παραπάνω τιμές γίνεται φανερό ότι γιά συγκεκριμένη τιμή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου διαφορετικοί πυρήνες εκτελούν μεταπτωτική κίνηση με διαφορετική συχνότητα.Αυτή τη διαφορά είναι που χρησιμοποιούν τα συστήματα μαγνητική τομογραφίας γιά να παράγουν εικόνα.

Η μαγνητική ροπή κάθε πρωτονίου είναι διανυσματικό μέγεθος.

Αρα μπορεί ν’ αναλυθεί σ’ ένα τρισορθογώνιο σύστημα αξόνων σαν συνισταμένη δύο δυνάμεων.Το άθροισμα των προβολών στον άξονα Ζ δίνει την συνισταμένη μαγνήτιση όλων των πρωτονίων.Αντίθετα οι προβολές της δεύτερης συνισταμένης πάνω στο επίπεδο ΧΥ είναι τυχαία διατεταγμένες.Η τυχαία αυτή διάταξη οφείλεται στο ότι η κίνηση των πρωτονίων δεν είναι συμφασική,άρα και οι οριζόντιες προβολές του ανύσματων πάνω στο επίπεδο XY δεν θα συμπίπτουν.Αυτό οδηγεί σε μηδενισμό της μαγνήτισης στο επίπεδο XY.

    Γνωρίζοντας τη συχνότητα Larmor,γνωρίζουμε ταυτόχρονα δύο πράγματα.Το ένα είναι πιά συχνότητα πρέπει να έχει ο ραδιοπαλμός(RF) που θα σταλεί γιά να συντονιστεί το συγκεκριμένο υλικό(π.χ. υδρογόνο).Και το δεύτερο είναι το σε ποιά ακριβώς συχνότητα πρέπει να συντονιστούν τα πηνία(coils) γιά να μπορέσουν να διαβάσουν το σήμα από το συντονισμένο υλικό μετά το σταμάτημα του ραδιοπαλμού.

 

 

Εκπομπή του ραδιοπαλμού

Αυτό που πετυχαίνουμε όταν στέλνουμε τον ραδιοπαλμό(RF) είναι να στρέψουμε την μαγνήτιση Μο,από το διαμήκες επίπεδο(Ζ,longitudinal,το επίπεδο παράλληλο με το Βο),προς το εγκάρσιο επίπεδο XY.

 

Οταν η μαγνήτιση στραφεί προς αυτό το επίπεδο αναφέρεται σαν Εγκάρσια μαγνήτιση, Μxy.Αυτό γίνεται στέλνοντας έναν παλμό στην ακριβή συχνότητα Larmor,γιά

Page 6: Mr i Principles

τόσο χρονικό διάστημα όσο χρειάζεται γιά να περιστραφεί η Μο και να γίνει Μxy.Το κέρδος από όλη αυτή την διαδικασία είναι ότι ενώ σαν Μο δεν μπορεί να ανιχνεύσουμε την μαγνήτιση γιατί αποτελεί μόνο ένα μικρό κλάσμα του Βο,σαν Mxy μπορούμε να την ανιχνεύσουμε.

 

    Στην πραγματικότητα η διαδικασία είναι πιό πολύπλοκη και αφορά δύο ξεχωριστά συμβάντα.

Το πρώτο συμβάν αφορά την ενέργεια που προσλαμβάνουν τα πρωτόνια από τον ραδιοπαλμό.Αυτό συμβαίνει γιατί ο ραδιοπαλμός έχει τέτοια συχνότητα ώστε να συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα των πρωτονίων.Είναι γνωστό ότι όταν οι ιδιοσυχνότητες δύο συστημάτων συμπέσουν συμβαίνει ανταλλαγή ενέργειας(φαινόμενο συντονισμού).Με τη ενέργεια που προσλαμβάνουν ορισμένα από αυτά περνάνε σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη.

Στρέφονται,δηλαδή,απότον άξονα Ζ στον άξονα –Ζ.Καθώς γίνεται αυτό αλληλοεξουδετερώνονται με τα πρωτόνια τα οποία εξακολουθούν να παραμένουν στραμμένα προς τον άξονα Ζ.Ετσι η διαμήκης(longitudinal) μαγνήτιση μειώνεται με το πέρασμα του χρόνου.Οσο πιό πολύ ενέργεια εκπέμπεται μέσω του ραδιοπαλμού τόσο περισσότερα πρωτόνια στρέφονται προς τον άξονα –Ζ.Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κάποια στιγμή η διαμήκης μαγνήτιση να μηδενιστεί(Μο=0).

    Το δεύτερο συμβάν έχει να κάνει με το ότι ο ραδιοπαλμός αναγκάζει τα πρωτόνια να περιστρέφονται σε φάση(in-phase).Αναφέρθηκε ότι ο εγκάρσιες συνιστώσες των μαγνητικών ροπών των ξεχωριστών πρωτονίων,που κείτονται πάνω στο επίπεδο XY,αλληλοεξουδετερώνονται.

Ο ραδιοπαλμός αναγκάζει τα πρωτόνια ν’ αρχίσουν να περιστρέφονται σε φάση.Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι συνιστώσες των μαγνητικών ροπών των πρωτονίων που βρίσκονται πάνω στο XY επίπεδο,να συμπέσουν,να βρεθούν όλες με την ίδια φορά.Μ’ αυτό τον τρόπο δεν αλληλοεξουδετερώνονται πιά,αντίθετα αρχίζουν ν’ αποκτούν μιά κοινή συνισταμένη.

 

 Η συνισταμένη αυτή βρίσκεται πάνω στο XY επίπεδο και ονομάζεται εγκάρσια μαγνήτιση Mxy.

 

 

 

 

 

Page 7: Mr i Principles

 

Παύση του ραδιοπαλμού

Τη στιγμή ακριβώς που σταματάει η εκπομπή του ραδιοπαλμού η κατάσταση έχει ως εξής:

Κάποια πρωτόνια πήραν ενέργεια από τον ραδιοπαλμό,πέρασαν σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη,με αποτέλεσμα να εξαφανιστεί η διαμήκης μαγνήτιση Mz.

Τα πρωτόνια κινούνται στην ίδια φάση (in-phase),με αποτέλεσμα την εμφάνιση της εγκάρσιας μαγνήτισης Mxy.

Αν το υλικό το οποίο εξετάζεται βρισκόταν στο κενό,με την παύση του ραδιοπαλμού η κατάσταση δεν θα άλλαζε.Μιά σειρά από εξωτερικούς παράγοντες επιδρούν,όμως,και μεταβάλουν αυτή την κίνηση.Οι παράγοντες αυτοί είναι η θερμική κίνηση των σωματιδίων και τα μαγνητικά πεδία που προέρχονται από τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα.

Πάλι δυό ανεξάρτητα μεταξύ τους,αλλά,ταυτόχρονα γεγονότα συμβαίνουν.

Το ένα αφορά την απόδοση της επιπλέον ενέργειας,που πήραν τα πρωτόνια από τον ραδιοπαλμό,στο περιβάλλον.

Το δεύτερο αφορά την απώλεια του συγχρονισμού φάσης (out of phase),λόγω της αλληλεπίδρασης με τα μικρά τοπικά εξωτερικά μαγνητικά πεδία.

Το πρώτο γεγονός έχει σαν αποτέλεσμα όλο και περισσότερα πρωτόνια να περνούν σε κατάσταση χαμηλής ενεργειακής στάθμης και ν’ αρχίσουν να στρέφονται προς τον άξονα Ζ.Αυτό προκαλεί την επανεμφάνιση της διαμήκους μαγνήτισης Mz.

    Η διαδικασία αυτή δεν ολοκληρώνεται αμέσως,αλλά απαιτείται κάποιος χρόνος.Ο χρόνος που απαιτείται γιά να επανέλθει το 63% της αρχικής τιμής της διαμήκους μαγνήτισης (το 63% της Mz),ονομάζεται χρόνος Τ1 του συγκεκριμένου υλικού.

 

 

Ο χρόνος Τ1 εκφράζει την απώλεια ενέργειας στο περιβάλλον(πλέγμα,lattice),γι’ αυτό και αναφέρεται και ως χρόνος χαλάρωσης σπιν-πλέγματος,spin-lattice relaxation time.

Page 8: Mr i Principles

    Τα διεγερμένα πρωτόνια περιστρέφονται με συχνότητα που δίνεται από την εξίσωση Larmor.Από την άλλη μεριά και το περιβάλλον,το πλέγμα,έχει τα δικά του μαγνητικά πεδία τα οποία περιστρέφονται με την δική τους συχνότητα.Η μεταφορά ενέργειας από τα πρωτόνια προς το πλέγμα γίνεται τόσο πιό αποτελεσματικά,όσο πιό κοντά στην συχνότητα Larmor περιστρέφονται τα υλικά του πλέγματος.Π.χ. σ’ ένα περιβάλλον από υγρό τα πρωτόνια δυσκολεύονται να αποδώσουν την ενέργειά τους,εξαιτίας της γρήγορης κίνησης των μικρών μορίων του νερού.Αυτό σημαίνει ότι ένα πρωτόνιο που βρίσκεται σε περιβάλλον νερού,θα δυσκολευτεί να αποδώσει την επιπλέον ενέργειά του,άρα θα έχει μεγάλο χρόνο Τ1.Ο μεγάλος χρόνος Τ1 σημαίνει και αργή επανεμφάνιση της διαμήκους μαγνήτισης Mz.Ιστοί όπως το εγκεφαλονωτιαίο υγρό(CSF) εμφανίζουν μακρύ(long) Τ1 χρόνο,της τάξης των 2000-3000msec.

Αντίθετα πρωτόνια τα οποία βρίσκονται σε περιβάλλον το οποίο ευνοεί την γρήγορη μεταφορά ενέργειας θα έχουν βραχύ χρόνο(short) χρόνο Τ1,δηλαδή η αποκατάσταση της διαμήκους μαγνήτισής τους θα γίνεται πολύ γρήγορα.Παράδειγμα τέτοιων ιστών είναι το λίπος με χρόνο Τ1 150-250msec.

 

    Παράδειγμα ιστών με μέσο χρόνο Τ1 είναι η φαιή ουσία με Τ1 χρόνο,στο 1.5Τ,920msec και η λευκή ουσία με 790msec.

Το δεύτερο γεγονός αφορά την σταδιακή απώλεια της σύγχρονης περιστροφής των πρωτονίων ως προς το επίπεδο XY.Η κατάσταση αυτή περιγράφεται σαν αποσυμφασικοποίηση (out of phase).Το άμμεσο αποτέλεσμά της είναι η σταδιακή μείωση της εγκάρσιας μαγνήτισης(Mxy).

Page 9: Mr i Principles

 

 

    Με ποιό ρυθμό τα πρωτόνια χάνουν τον συγχρονισμό της φάσης τους,εκφράζεται από τον χρόνο Τ2.Ο χρόνος Τ2 είναι ο χρόνος κατά τον οποίο το 37% των πρωτονίων έχουν χάσει τον συχρονισμό της φάση τους.

 

 

 

Ο χρόνος Τ2 εξαρτάται από τις ανομοιογένεις του πεδίου,γι’ αυτό και αναφέρεται και ως χρόνος χαλάρωσης σπιν-σπιν,spin-spin relaxation time.

 

 

Page 10: Mr i Principles

    Οι ανομοιογένειες αυτές έχουν δύο αιτίες,τις ανομοιογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και τις τοπικές,μικρές ανομοιογένειες στο μοριακό περιβάλλον των ιστών.Οι πρώτες οφείλονται κατά κύριο λόγο στις γραμμικές μεταβολές που προκαλούνται από τα Gradient Coils στο μαγνητικό πεδίο και σκοπό έχουν στην χωρική κωδικοποίηση του σήματος(spatial encoding).Δευτερογενώς οφείλονται σε ατέλειες στην κατασκευή του μηχανήματος και σε ανομοιογένειες στην μαγνητική επιδεκτικότητα του χώρου.

Οι ανομοιογένειες που οφείλονται στο χημικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται τα πρωτόνια είναι πολύ μικρότερες σε ένταση,αλλά καθοριστικές γιά το πόσο γρήγορα αποσυμφασικοποιούνται τα πρωτόνια.Σ’ ένα περιβάλλον υγρού,όπως το νερό,τα ταχέως κινούμενα μόρια του νερού δεν έχουν μεγάλες διαφορές στα μαγνητικά πεδία τους.Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αργούν να χάσουν τον συγχρονισμό τους,άρα να αργούν να αποσυμφασικοποιηθούν,άρα να έχουν μακρύ(long) χρόνο Τ2.Αντίθετα σ’ ένα περιβάλλον με στερεά οι διαφορές στα τοπικά μαγνητικά πεδία είναι μεγαλύτερες,με αποτέλεσμα τα πρωτόνια να αποσυμφασικοποιούνται πιό γρήγορα,άρα να έχουν βραχείς(short) χρόνου Τ2.

Οταν αναφερόμαστε στην αποσυμφασικοποίηση των πρωτονίων μόνο εξαιτίας των τοπικών διαφορών στα μαγνητικά πεδία,χρησιμοποιούμε την έννοια του χρόνου Τ2.Αν σ’ αυτόν τον χρόνο συνυπολογίζονται και οι ανομοιογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου,αναφερόμαστε στον χρόνο Τ2*(T2 star).Ο Τ2* είναι σημαντικά μικρότερος από τον Τ2.

PULSE SEQUENCES AND IMAGE CONTRAST

Μιά σειρά από παραμέτρους επηρεάζει την ένταση του σήματος σε μιά εξέταση Μαγνητικής Τομογραφίας.Οι παράμετροι αυτοί μπορεί να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες,στις παραμέτρους που αφορούν αυτούς καθαυτούς τους ιστούς και στις παραμέτρους που επιλέγει αυτός που κάνει την εξέταση.

Οι πρώτες αφορούν την πυκνότητα των πρωτονίων(proton density) των ιστών που εξετάζονται,τους χρόνους Τ1 και Τ2 και την ύπαρξη ή όχι ροής στην περιοχή που απεικονίζεται.Η πυκνότητα πρωτονίων αναφέρεται στην ποσότητα των πυρήνων που έχουν προσανατολιστεί με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και άρα καθορίζει την συνολική μαγνήτιση Μ.Οι χρόνοι Τ1 και Τ2 αναφέρεται στο μέγεθος της μαγνήτισης Μ,σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και άρα καθορίζει την μαγνήτιση Μ,σ’ αυτές τις χρονικές στιγμές.

Οι παράμετροι που επιλέγονται από αυτόν που κάνει την εξέταση είναι η ακολουθία παλμών που θα χρησιμοποιηθεί,τα στοιχεία της ακολουθίας(ΤΕ,TR,Flip angle Θο,ΤΙ) και η χρήση ή όχι σκιαγραφικής ουσίας.

Η τελική εικόνα και η κλίμακα του γκρί που χρησιμοποιείται βασίζεται στις μεταβολές της έντασης του σήματος που μετράται από το μηχάνημα.Οσο πιό υψηλή είναι η ένταση του σήματος που μετράει το μηχάνημα τόσο πιό προς το λευκό θα τείνει η αντίστοιχη θέση στην κλίμακα του γκρί που θα του αποδωθεί.Οσο πιό χαμηλή έντασης σήμα μετράει το μηχάνημα τόσο πιό σκούρα απόχρωση θα της αποδώσει.

Page 11: Mr i Principles

Η πιό συνηθισμένη ακολουθία παλμών που χρησιμοποιείται είναι η Spin Echo.

SPIN ECHO

Η Spin Echo ακολουθία αποτελείται από έναν παλμό 90ο που ακολουθείται από άλλον έναν παλμό 180ο,σε χρόνο ΤΕ/2.Με τον πρώτο στρέφεται το άνυσμα της μαγνήτισης στο επίπεδο XY.Επειδή η διαδικασία της αποσυμφασικοποίησης είναι πολύ γρηγορότερη από την θερμική αποβολή της επιπλέον ενέργειας στο πλέγμα(χρόνος Τ1 μεγαλύτερος από τον χρόνο Τ2),ακολουθεί ο δεύτερος

παλμός των 180ο μετά από χρόνο ΤΕ/2,ο οποίος ξαναβάζει τα πρωτόνια σε φάση,αλλά σε αντίθετη φορά περιστροφής πάνω στο επίπεδο XY.Μετά από χρόνο ΤΕ(Echo Time,Χρόνος Ηχούς) λαμβάνουμε μιά ηχώ (spin echo),ένα σήμα δηλαδή από το οποίο σχηματίζεται η τελική εικόνα.Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται πολλές φορές σε κάθε ακολουθία.Ο χρόνος ανάμεσα στις διαδοχικές επαναλήψεις,δηλαδή από την εκπομπή του παλμού των 90ο έως την εκπομπή του επόμενου παλμού των 90ο,ονομάζεται TR(Repetition Time,Χρόνος επανάληψης).

    Πιό συγκεκριμένα η διαδικασία η οποία γίνεται γιά μιά δειγματοληψία είναι η εξής:

Εκπέμπεται ο παλμός των 90ο.Ταυτόχρονα ανάβει το πηνίο επιλογής τομής(το Ζ γιά εγκάρσιες,το Χ γιά οβελιαίες ή το Y γιά στεφανιαίες).

Ανάβει το πηνίο βαθμίδας(gradient coil) γιά την κωδικοποίηση της φάσης.Αυτό αλλάζει την φάση του σήματος γραμμικά στην κατεύθυνση αυτού του πηνίου.

Μετά από χρόνο ΤΕ/2 μετά την εκπομπή του παλμού των 90ο εκπέμπεται ένας παλμός 180ο.Αυτό είναι που επανασυμφασικοποιεί τα πρωτόνια στο XY επίπεδο.

Μετά από χρόνο ΤΕ/2 από την εκπομπή του παλμού των 180ο,δηλαδή μετά από χρόνο ΤΕ από την εκπομπή του παλμού 90ο,σχηματίζεται το σήμα το οποίο διαβάζει το μηχάνημα.Γίνονται δηλαδή δύο πράγματα,ανάβει το πηνίο κωδικοποίησης της συχνότητας και ανοίγει ο μετατροπέας αναλογικού-σε-ψηφιακού σήματος και διαβάζει το σήμα.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν το σήμα σε μιά spin echo ακολουθία είναι το ΤΕ και TR.Η ένταση του σήματος κάθε pixel σε μιά Spin Echo ακολουθία δίνεται από τον εξής τύπο:

Sse(TE,TR)=N[H]e-TE/T2(1-e-TR/T1)

Page 12: Mr i Principles

όπου Ν είναι συνάρτηση των παραμέτρων της εξέτασης(FOV,matrix,NEX), [Η] είναι ηπυκνότητα των πρωτονίων στο απεικονιζόμενο pixel.

Από τον παραπάνω τύπο γίνεται φανερό ότι το ΤΕ είναι αυτό που ελέγχει το πόσο Τ2 θα είναι μιά εικόνα το TR το πόσο Τ1 θα είναι μιά εικόνα και ότι η πυκνότητα των πρωτονίων είναι πάντα παρούσα σαν παράγοντας που καθορίζει την ένταση του σήματος.Γενικά αν έχουμε μιά ακολουθία με:

Βραχύ TR(<700msec περίπου) και βραχύ ΤΕ(<20msec περίπου) είναι μιά ακολουθία με Τ1 επιβάρυνση(T1 weighted)

Μακρύ TR(>2000msec περίπου) και βραχύ ΤΕ(<30msec) είναι μιά ακολουθία πυκνότητας πρωτονίων(proton density)

Μακρύ TR(>2000msec περίπου) και μακρύ ΤΕ(>80msec) είναι μιά ακολουθία με Τ2 επιβάρυνση(Τ2 weighted).

Η σχέση αυτή απεικονίζεται στον παρακάτω πίνακα:

 

    Παραδείγματα ιστών που έχουν υψηλό σήμα στην Spin Echo T1 ακολουθία είναι το λίπος,υλικά που είναι απόρροια της αποδόμησης του αίματος,όπως η μεθεμογλοβίνη και ιστοί οι οποίοι προσλαμβάνουν σκιαστικό.Ιστοί οι οποίοι έχουν χαμηλό σήμα σε μιά Τ1 ακολουθία είναι το εγκεφαλονωτιαίο υγρό και οι κύστεις.

Παραδείγματα ιστών που έχουν υψηλό σήμα σε μιά Τ2 ακολουθία είναι το εγκεφαλονωτιαίο υγρό,οι κύστεις,τα έμφρακτα,το οίδημα.

Γίνεται φανερό ότι σε μιά Τ1 ακολουθία η ένταση του σήματος ακολουθεί αντίστροφα τον Τ1 χρόνο των ιστών.Ιστοί με βραχύ(short) χρόνο Τ1,όπως το λίπος,θα έχουν μεγάλη ένταση σήματος(‘λαμπροί’).Ιστοί με μακρύ(long) Τ1 χρόνο,όπως το ENY, θα έχουν χαμηλή ένταση σήματος και ιστοί με ενδιάμεσο Τ1 χρόνο,όπως η φαιή και η λευκή ουσία,θα έχουν μιά ενδιάμεση ένταση σήματος.

Σε μιά Τ2 ακολουθία,αντίθετα,η ένταση του σήματος είναι ανάλογη με τον Τ2 χρόνο των ιστών.Ιστοί με μακρύ(long) Τ2 χρόνο,όπως το ΕΝΥ,έχουν μεγάλη ένταση σήματος(‘λαμπροί’).Ιστοί με βραχύ(short) Τ2 χρόνο,όπως οι τένοντες,οι μύες,ο αρθρικός θύλακος,έχουν μικρή ένταση σήματος(‘σκούροι’) και ιστοί με μέσο Τ2 χρόνο,όπως η φαιή και η λευκή ουσία,το ήπαρ,τα νεφρά,εμφανίζουν μιά ενδιάμεση ένταση σήματος.

Page 13: Mr i Principles

Σε μιά ακολουθία πυκνότητας πρωτονίων(proton density) η ένταση του σήματος ακολουθεί τον αριθμό των πρωτονίων στους ιστούς που απεικονίζονται.Ιστοί με υψηλή συγκέντρωση πρωτονίων,όπως το ΕΝΥ,τα ούρα,το οίδημα εμφανίζουν υψηλή ένταση σήματος.Ιστοί με χαμηλή συγκέντρωση πρωτονίων,όπως ο αέρας,τα οστά,οι τένοντες εμφανίζουν χαμηλή ένταση σήματος.

Η ένταση του σήματος σε σχέση με τις διάφορες παραμέτρους φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:

 

Μπορούμε να πούμε γενικά ότι σε μιά Spin echo ακολουθία έχουμε:

Σε Τ1 επιβάρυνσης εικόνες η ένταση του σήματος ακολουθεί αντιστρόφως ανάλογα τον Τ1 χρόνο(όσο μικρότερος ο Τ1 χρόνος του ιστού τόσο μεγαλύτερο το σήμα που δίνει,όσο μεγαλύτερος ο Τ1 χρόνος του τόσο χαμηλότερο το σήμα που δίνει).

Σε Τ2 επιβάρυνσης εικόνες η ένταση του σήματος ακολουθεί τον Τ2 χρόνο(όσο μεγαλύτερος ο Τ2 χρόνος του ιστού,τόσο υψηλότερο σήμα θα δίνει,όσο μικρότερος ο Τ2 χρόνος τόσο χαμηλότερο σήμα θα δίνει).

Σε εικόνες πυκνότητας πρωτονίων(proton density) η ένταση του σήματος ακολουθεί την πυκνότητα των πρωτονίων στους ιστούς(ιστοί με μεγάλη συγκέντρωση πρωτονίων δίνουν υψηλό σήμα,ιστοί με μικρή συγκέντρωση πρωτονίων δίνουν χαμηλό σήμα).

 

GRADIENT ECHO

Στην GRE πρώτα εφαρμόζεται ένας παλμός του οποίου η γωνία θο,σε σχέση με τον άξονα Ζ,μπορεί να καθοριστεί.Η γωνία μπορεί να είναι από 1ο έως και 180ο.Μετά την εφαρμογή αυτού του παλμού,η επανασυμφασικοποίηση των πρωτονίων γίνεται χρησιμοποιώντας τα πηνία βαθμίδας(Gradient Coils),αντί να έχουμε άλλον έναν παλμό(180ο),όπως στην Spin Echo.Η επανασυμφασικοποίηση επιτυγχάνεται αλλάζοντας την πολικότητα των Gradient Coils,την αρνητική φορά,δηλαδή,την κάνουμε θετική και το αντίστροφο.Η χρήση των gradient coils αντί γιά την εκπομπή ενός επιπλέον ραδιοπαλμού(π.χ.180ο),ο οποίος απαιτεί επιπλέον χρόνο και η χρήση ραδιοπαλμού που περιστρέφει το άνυσμα της μαγνήτισης κατά ένα κλάσμα μόνο των 90ο(π.χ. 30ο ή 60ο),άρα χρειάζεται μικρότερο χρόνο εφαρμογής,απ’ ότι ένας ραδιοπαλμός 90ο,κάνει αυτές τις ακολουθίες πιό γρήγορες σε σχέση με τις Spin Echo.

Page 14: Mr i Principles

    Διάγραμμα GRE ακολουθίας

Σε μιά Spin Echo ακολουθία η εφαρμογή του ραδιοπαλμού 180ο,εξαφανίζει τις επιδράσεις από τις ανομοιογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.Αντίθετα στις GRE ακολουθία,επειδή δεν υπάρχει αυτή η εφαρμογή του ραδιοπαλμού,τις κάνει ιδιαίτερα επιδεκτικές στις ανομοιογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.Ο χρόνος Τ2,ο οποίος ονομάζεται Τ2*(T2 star) σε μιά GRE ακολουθία είναι ο χρόνος Τ2 του συγκεκριμένου ιστού συν τον χρόνο Τ2’ που προέρχεται από τις ανομοογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.Αυτό εκφράζεται από την εξίσωση:

1/T2*=1/T2 + 1/T2’.

O T2* είναι μικρότερος από τον Τ2 χρόνο.

Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την αντίθεση(contrast) ανάμεσα σε δύο ιστούς σε μιά GRE ακολουθία είναι οι ίδιοι όπως αυτοί σε μιά Spin Echo ακολουθία,με την προσθήκη και της γωνίας θο(flip angle),κατά την οποία στρέφεται το άνυσμα της μαγνήτισης.Μεγάλοι χρόνοι επανάληψης(TR) και μεγάλες γωνίες θο(τυπικά 45-70 μοίρες) δίνουν Τ1 εικόνες.Μικρές γωνίες θο (5-10 μοίρες) δίνουν εικόνες πυκνότητα πρωτονίων(proton density).Αντίθετα μικρές γωνίες και μεγάλοι χρόνοι ηχούς(TE,περίπου 20-50msec)με χρόνους επανάληψης(TR,200-500msec) δίνουν εικόνες Τ2.

Η σχέση αυτή απεικονίζεται στον παρακάτω πίνακα:

 

 

 

 

INVERSION RECOVERY

Page 15: Mr i Principles

Στην IR πρώτα εφαρμόζεται ένας παλμός 180ο,ο οποίος στρέφει την μαγνήτιση στο –Ζ επίπεδο.Μετά από ένα σύντομο χρονικό διάστημα,το οποίο ονομάζεται TI(Inversion Time),εφαρμόζεται ένας παλμός 90ο,με αποτέλεσμα η μαγνήτιση να στραφεί στο XY επίπεδο.Μετά εφαρμόζεται άλλος ένας παλμός 180ο,ο οποίος επανασυμφασικοποιεί τα πρωτόνια και έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ενός σήματος(spin echo).Ο χρόνος ανάμεσα στον παλμό 90ο και στο μέσο της ανάγνωσης(read out),ονομάζεται ΤΕ(Echo Time).Ο χρόνος ανάμεσα σε δύο συνεχόμενες ακολουθίες παλμών ονομάζεται TR.

 

 

Η ένταση του

σήματος σε μιά Inversion Recovery ακολουθία εξαρτάται από τις διαφορές στους Τ1 χρόνους των διαφόρων ιστών και στις παραμέτρους της ακολουθίας που χρησιμοποιείται(TR,TE,TI).

    Με πολύ μικρούς χρόνους ΤΙ,η ακολουθία ονομάζεται STIR(Short Tay Inversion Recovery) και η ένταση του σήματος στην κλίμακα του γκρί ακολουθεί τον χρόνο Τ1,δηλαδή ιστοί με μεγάλο χρόνο Τ1 εμφανίζουν μεγάλη ένταση σήματος,ενώ αντίθετα ιστοί με μικρό χρόνο Τ1 εμφανίζουν χαμηλή ένταση σήματος.

Αντίθετα με μεγαλύτερους χρόνους ΤΙ,της τάξης των 400-700msec,η ένταση του σήματος στην κλίμακα του γκρί ακολουθεί αντίστροφα τον Τ1 χρόνο,δηλαδή ιστοί με βραχύ Τ1 χρόνο,θα έχουν υψηλή ένταση σήματος και ιστοί με μακρύ Τ1 χρόνο θα έχουν χαμηλή ένταση σήματος.Είναι φανερό ότι μιά τέτοια ακολουθία θα παράγει εικόνες που θα μοιάζουν με εικόνες από Spin Echo ακολουθία Τ1 επιβάρυνσης.

Η σχέση ανάμεσα στην ένταση του σήματος και στον χρόνο ΤΙ φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

 

 

 

 

 

Page 16: Mr i Principles

 

 

    Μπορούμε να πούμε γενικά ότι σε μιά Inversion Recovery ακολουθία η ένταση του σήματος διαμορφώνεται ως εξής:

Γιά μικρό Inversion Time(TI) η ένταση του σήματος είναι ανάλογη του Τ1 χρόνου του ιστού(ιστοί με βραχύ Τ1 χρόνο δίνουν χαμηλη ένταση σήματος,ενώ ιστοί με μακρύ Τ1 χρόνο δίνουν υψηλή ένταση σήματος).

Γιά μεγάλο Inversion Time(TI> από 400-700 msec) η ένταση του σήματος είναι αντιστρόφως ανάλογη του Τ1 χρόνου(ιστοί με βραχύ Τ1 χρόνο δίνουν υψηλή ένταση σήματος,ενώ ιστοί με μακρύ Τ1 χρόνο δίνουν χαμηλή ένταση σήματος).

Artifacts στην Μαγνητική Τομογραφία

Page 17: Mr i Principles

Τα artifact στην Μαγνητική Τομογραφία είναι πολλά και η διαδικασία παραγωγής τους πολύπλοκη.Ωστόσο όποιος ασχολείται με αυτήν την εξέταση πρέπει να τα γνωρίζει.Αυτό κρίνεται απαραίτητο γιά δυό λόγους.

Ο ένας είναι ότι πολλά απ' αυτά είναι συνδεδεμένα με την καλή λειτουργία του μηχανήματος.Οποιοδήποτε από αυτά τα artifact πρέπει να καταγράφεται προσεκτικά και αν είναι δυνατόν να φωτογραφίζεται και να γίνεται λεπτομερείς αναφορά στους τεχνικούς της εταιρίας που κάνει το service στο μηχάνημα.

Ο άλλος λόγος είναι ότι πολλές φορές αυτά τα artifacts δημιουργούν πρόβλημα στην διαγνωστική επάρκεια των εικόνων μας.Αναγνωρίζοντας την διαδικασία παραγωγής τους έχουμε την δυνατότητα να μεταβάλουμε κατάλληλα την εξέταση γιά να πετύχουμε διαγνωστικές εικόνες.

   Σε γενικές γραμμές τα artifact στην Μαγνητική Τομογραφία μπορεί να προέρχονται από τέσσερις διαφορετικές πηγές.

Η πρώτη αφορά τα artifact που παράγονται εξαιτίας κάποιου είδους κίνησης,η οποία έχει περίοδο μεγαλύτερη από την περίοδο που διαρκεί η δειγματοληψία των δεδομένων.

Η δεύτερη πηγή αφορά artifact τα οποία προέρχονται από σφάλματα κατά την διαδικασία των υπολογισμών.Τέτοια είναι το Aliasing,το Chemical Shift artifact,το Truncation,το Φαινόμενο Μερικού Ογκου(Partial Volume Effect) και artifact που προέρχονται από σφάλματα των δεδομένων.

Η τρίτη κατηγορία αφορά artifact τα οποία σχετίζονται με την Ραδιοσυχνότητα(RF) και τα Gradients.Αυτά είναι π.χ. το Crosstalk artifact,τα artifacts που προέρχονται από τα Eddy currents,τα artifact γεωμετρικής παραμόρφωσης κ.λ.π.

Η τέταρτη κατηγορία αφορά artifact τα οποία σχετίζονται με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και artifact τα οποία έχουν να κάνουν με την Μαγνητική Δεκτικότητα(Magnetic Susceptibility),δηλαδή την παρουσία μεταλλικών αντικειμένων ή την παρουσία σιδηρομαγνητικών ή παραμαγνητικών υλικών στην περιοχή της εξέτασης.

Artifact Κίνησης

H μαθηματική διαδικασία η οποία χρησιμοποιείται στην Μαγνητική Τομογραφία γιά την παραγωγή των εικόνων είναι ο δισδιάστατος μετασχηματισμός Fourier(2D Fourier Transform).Από αυτή τη μαθηματική διαδικασία προκύπτουν οι τιμές των pixel που απαρτίζουν την εικόνα,δηλαδή το ποιά τιμή θα έχει κάθε pixel στην κλίμακα του γκρίζου(gray scale).Επιπλέον η ανάλυση της συχνότητας(frequncy) και η ανάλυση της φάσης(phase) δίνει την θέση του pixel κατά στους άξονες Χ και Y,άρα και την θέση του μέσα στην κάθε συγκεκριμένη εικόνα.

Κάθε κίνηση με σχετικά μικρότερη περίοδο από τον χρόνο που απαιτείται γιά την διαδικασία δειγματοληψίας,οδηγεί σε artifact.Ο χρόνος δειγματοληψίας των συνηθισμένων μηχανημάτων που χρησιμοποιούνται στην κλινική πράξη σήμερα,είναι της τάξης των λεπτών(min).Αντίθετα αυτές οι κινήσεις έχουν περίοδο,συνήθως της τάξης των δευτερολέπτων(sec).Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η ανατομική δομή η οποία

Page 18: Mr i Principles

αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο pixel να βρίσκεται σε διαφορετικές θέσεις κατά την διάρκεια του χρόνου δειγματοληψίας

Αξίζει να σημειωθεί  ότι η δειγματοληψία γιά της κωδικοποίηση της συχνότητας(frequency enconding steps) διαρκεί χρόνο της τάξης των milliseconts,ενώ η διαδικασία γιά την κωδικοποίηση της φάσης(phase enconding steps) διαρκεί χρόνο της τάξης των λεπτών(min).Αυτός είναι και ο λόγος που τα artifact κίνησης προκύπτουν σχεδόν πάντα κατά τον άξονα της φάσης.

Τα artifact κίνησης μπορεί να προέρχονται από εκούσιες ή ακούσιες κινήσεις του εξεταζόμενου.

Ακούσιες κινήσεις

Στις ακούσιες κινήσεις περιλαμβάνονται η κίνηση της καρδιάς,ο περισταλτισμός του εντέρου,ο ακούσιος τρόμος,όπως σε περιπτώσεις Parcinson.

Γιά τα περισσότερα από αυτά τα artifact έχουν αναπτυχθεί τεχνικές γιά την πλήρη καταστολή τους ή τουλάχιστον γιά την μείωσή τους.

Ειδικά γιά την καταστολή των artifacts που παράγονται από την κίνηση της καρδιάς,έχει αναπτυχθεί η τεχνική του συγχρονισμού της λήψης των δεδομένων με συγκεκριμένη φάση του καρδιακού κύκλου.Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός ECG που συγχρονίζει την δειγματοληψία με συγκεκριμένη φάση του καρδιακού κύκλου(συνήθως το R wave).

Γιά την μείωση των artifacts από τον περισταλτισμό του εντέρου γίνεται ενδομυική ένεση γλουκαγόνου,ακριβώς πριν την έναρξη της εξέτασης.(Πριν χρησιμοποιηθεί είναι απαραίτητο να ενημερωθείτε γιά τις αντενδείξεις στην χορήγηση του γλουκαγόνου).

Εκούσιες κινήσεις

Στις εκούσιες κινήσεις περιλαμβάνονται κινήσεις όπως οι αναπνευστικές,μέχρι ένα ορισμένο σημείο και η κατάποση.

Οσον αφορά τις αναπνευστικές κινήσεις δρουν με παρόμοιο μηχανισμό,όπως αυτός των κινήσεων της καρδιάς,στην παραγωγή artifacts.Είναι σαφές ότι καλύτερα απότελέσματα απ' όλες τις τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν γιά την εξάλειψη αυτών των artifact είναι οι breath hold ακολουθίες,δηλαδή οι ακολουθίες στις οποίες η δειγματοληψία των δεδομένων γίνεται με τον εξεταζόμενο σε άπνοια.Η τεχνική αυτή προυποθέτει μηχάνημα με την ικανότητα διενέργειας τόσο γρήγορων ακολουθιών,ώστε να μπορεί ο εξεταζόμενος να κρατάει την αναπνοή του γιά το απαιτούμενο χρονικό διάστημα.

Εκτός από τις breath hold ακολουθίες έχουν αναπτυχθεί κυρίως δύο τεχνικές  γιά την αποφυγή των αναπνευστικών artifacts.Η μία τεχνική είναι το respiratory gating και η άλλη το respiratory compansation.Το respiration compansation σε σχέση με το respiratory gating έχει το πλεονέκτημα του ότι δεν περιορίζει to TR το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εξέταση.

Page 19: Mr i Principles

Εκτός από τα artifacts αναπνοής και μιά σειρά από άλλες εκούσιες κινήσεις,όπως η κίνηση των ματιών και η κατάποση,προκαλούν artifacts.

Η καλύτερη μέθοδος γιά ν' αντιμετωπιστούν αυτού του είδους τα artifact είναι η ενημέρωση και συνεργασία του ασθενούς.

Artifact από την κίνηση των ματιών(ασαφοποίηση του οπτικού νεύρου) στην Α.Η ίδια ακολουθία στο Β μετά από ενημέρωση του εξεταζόμενου .

Artifact κίνησης από κατάποση στο C.Η ίδια ακολουθία στο D μετά από ενημέρωση και συνεργασία του εξεταζόμενου.

Artifact Ροής

Artifact από την κίνηση του αίματος

Η κίνηση του αίματος μέσα στα αγγεία προκαλεί artifacts.Η θέση των πρωτονίων του αίματος κατά την στιγμή της διέγερσής τους από τον ραδιοπαλμό(RF) είναι διαφορετική από την θέση τους κατά την δειγματοληψία,εξαιτίας της κίνησής τους.Αυτό το γεγονός προκαλεί απώλεια του σήματος(signal loss).Η απώλεια αυτή,που προκαλείται από την κίνηση των πρωτονίων του αίματος,ονομάζεται flow void.

Εξαιτίας των διαφορετικών ταχυτήτων που έχουν τα πρωτόνια μέσα σ' ένα αγγείο,προκύπτει μιά διαφορά στην δειγματοληψία κατά τον άξονα της φάσης.Αυτή η διαφορά παράγει και το γνωστό ghost artifact,το οποίο είναι ιδιαίτερα εμφανές,κυρίως στις αξονικές τομές.

Page 20: Mr i Principles

Η τεχνική που χρησιμοποιείται συνήθως γιά να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα είναι το spatial presaturation(SAT).Αυτό που κάνουμε στην ουσία είναι να στέλνουμε ραδιοπαλμούς έξω από το επίπεδο εξέτασης,γιά να κορεστούν τα πρωτόνια του αίματος.Ετσι,όταν θα μπουν μέσα στο επίπεδο τομής δεν θα έχουν σήμα και άρα δεν μπορούν να προκαλέσουν artifact.

Η τεχνική αυτή είναι πιό αποτελεσματική σε αξονικές τομές.Τοποθετούνται,συνήθως,δύο περιοχές προκορεσμού,μία πάνω(superior) από το επίπεδο τομής και μία κάτω(inferior) από το επίπεδο τομής.

Χωρίς Saturation η Α.Η Β με Saturation inferior.Η C με Saturation superior. H D  με Saturation και inferior και Superior.

Κίνηση Εγκεφαλονωτιαίου υγρού.

Το εγκεφαλονωτιαίο υγρό(CSF),μέσα στο κανάλι του νωτιαίου μυελού εκτελεί μιά περιοδική κίνηση,με περίοδο μερικών εκατοστών ανά δευτερόλεπτο.Η κίνηση αυτή παράγει artifact,τα οποία είναι πιό προφανή στην ΑΜΣΣ και σταδιακά μειώνονται στην ΘΜΣΣ και στην ΟΜΣΣ.

Η τεχνική η οποία χρησιμοποιείται γιά ν' αντιπαρέλθουμε αυτό το artifact,ονομάζεται gradient moment nulling(στην GE η τεχνική ονομάζεται Flow Comp).Η βασική αρχή είναι να χρησιμοποιήσουμε επιπλέον παλμούς γιά να επανασυμφασικοποιήσουμε(rephase) τα πρωτόνια τα οποία έχουν αποσυμφασικοποιηθεί εξαιτίας της κίνησης.Μ' αυτό τον τρόπο έχουμε μείωση των ghost artifact,που προέρχονται από την κίνηση του CSF,αλλά και επιπλέον έχουμε ενίσχυση του σήματος του CSF(myelograhic effect).

Page 21: Mr i Principles

Ενας άλλος τρόπος αντιμετώπισης είναι και η χρήση gating(pheripheral gating).

 

Σφάλματα κατά την διαδικασία των υπολογισμών

CHEMICAL SHIFT

Η συχνότητα συντονισμού ενός πρωτονίου εξαρτάται από την ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και την χημική ένωση στην οποία ανήκει.Γιά ένταση μαγνητικού πεδίου 1.5Τ,π.χ.,υπάρχει μιά διαφορά 220Hz,στην συχνότητα συντονισμού ενός πρωτονίου που βρίσκεται στο νερό σε σχέση με ένα πρωτόνιο που βρίσκεται σε λίπος.

Αυτή η διαφορά δημιουργεί μιά μετατόπιση κατά 1.7pixel,στην θέση μέσα στο χώρο στην οποία απεικονίζονται τα πρωτόνια που βρίσκονται σ' αυτές τις διαφορετικές χημικές ενώσεις.(Η διαφορά αυτή προκύπτει γιά συχνότητα δειγματοληψίας 32kHz και μέγεθος matrix κατά τον άξονα της συχνότητας 256).

Η μετατόπιση αυτή εμφανίζεται συνήθως σε περιοχές όπου υπάρχουν γειτονικές δομές οι οποίες περιέχουν κυρίως νερό και λίπος όπως οι βολβοί των ματιών και οι νεφροί.

Εμφανίζεται στην διαχωριστική επιφάνεια των δύο δομών σαν μιά γραμμή χαμηλής έντασης σήματος στην μιά πλευρά και σαν γραμμή υψηλής έντασης σήματος από την ακριβώς αντίθετη πλευρά η οποία ακολουθεί τα όρια της μιάς δομής και είναι κάθετη στον άξονα της συχνότητας.

Ο τρόπος γιά να διακρίνουμε αν πρόκειται γιά παθολογία ή γιά artifact,είναι να επαναλάβουμε την εξέταση αλλάζοντας την κατεύθυνση του άξονα της συχνότητας και της φάσης(swap phase-frequncy).Επειδή αυτό το artifact συμβαίνει πάντα κατά τον άξονα της συχνότητας,θα αλλάξει και αυτό θέση.

Wrap Around ή Aliasing

Το artifact αυτό συμβαίνει όταν τμήματα της ανατομίας που απεικονίζεται ,επεκτείνονται και έξω από το πεδίο παρατήρησης(FOV),που χρησιμοποιούμε.

Αυτά τα τμήματα της υπό εξέταση ανατομικής περιοχής αναδιπλώνονται και επιπροβάλουν μέσα στο πεδίο παρατήρησης(FOV).

Page 22: Mr i Principles

Στην εικόνα φαίνεται το πίσω μέρος του κρανίου(βέλη) το οποίο έχει ανιδιπλωθεί και επιπροβάλεται στο προσωπικό κρανίο.

Μπορεί να συμβεί και κατά την κατεύθυνση της φάσης,οπότε ονομάζεται και Backfolding Artifact και κατά την κατέυθυνση της συχνότητας.Συνήθως σοβαρότερο είναι κατά την κατεύθυνση της φάσης.

Υπάρχουν διάφορες τεχνικές γιά την εξάλειψη του.Μία από αυτές είναι το No Phase Wrap.Σ’ αυτήν την τεχνική διπλασιάζεται το πεδίο παρατήρησης(FOV) και αντί γιά 256 προβολές,παίρνουμε 512(υποθέτοντας ότι χρησιμοποιούμε matrix το οποίο κατά την κατεύθυνση της φάσης έχει τιμή 256).Κατά την επεξεργασία της εικόνας απορίπτεται το πρώτο και τελευταίο τέταρτο των δεδομένων.Αυτό που απομένει είναι τα δύο μεσαία τέταρτα τα οποία αντιστοιχούν στο FOV που επιλέξαμε.

Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και γιά να εμποδίσουμε την εμφάνιση αυτού του artifact στην κατεύθυνση της συχνότητας.Χρησιμοποιείται η διπλάσια συχνότητα δειγματοληψίας από αυτήν που ορίσαμε,π.χ. 32kHz αντί γιά 16kHz.

Truncation Artifact (Φαινόμενο του Gibbs)

Ο λόγος γιά τον οποίο συμβαίνει αυτό το artifact είναι η αδυναμία του συστήματος ν’ ανιχνεύσει αλλαγές στην ένταση του σήματος,εξαιτίας ανεπαρκούς χρόνου δειγματοληψίας.Αυτό έχει σαν αποτελέσμα ο μετασχηματισμός Fourier(Fourier transform) των πρωτογενών δεδομένων(raw data) να μην μπορεί ν’ αναπαραστήσει αυτές τις αλλαγές στην ένταση του σήματος .

Είναι πιό προφανές σε περιοχές όπου υπάρχουν γειτονικοί ιστοί με μεγάλες διαφορές στην ένταση σήματός τους και χρησιμοποιείται χαμηλό matrix,π.χ. 128 στην κατεύθυνση της φάσης.Εμφανίζεται σαν παράλληλες γραμμές με εναλλαγή χαμηλού και υψηλού σήματος,

Ο τρόπος γιά ν’ αποφευχθεί είναι να αυξήσουμε την δειγματοληψία,αυξάνοντας π.χ. το matrix από 128 σε 256 ή μειώνοντας το πεδίο παρατήρησης(FOV).

Δυσλειτουργία του Array Processor

Page 23: Mr i Principles

Ο Array Processor είναι μέρος του υπολογιστικού συστήματος του Μαγνητικού Τομογράφου.Χρησιμοπoιείται γιά την επεξεργασία του σήματος κατά την διάρκεια της συλλογής των δεδομένων και γιά την ανακατασκευή των εικόνων.

Λάθη στην λειτουργία του έχουν σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση artifacts τα οποία έχουν συνήθως την εμφάνιση πλέγματος(grid) ή παράλληλων γραμμών.

Artifact που σχετίζονται με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο

Ανομοιογένειες του Μαγνητικού Πεδίου

Το artifact αυτό έχει να κάνει τόσο με ανομοιογένειες στο κυρίως στατικό πεδίο,όσο και με ανομοιογένειες στο εύρος των ραδιοπαλμών(RF) και εμφανίζεται σαν ‘σκιασμένες’ περιοχές (shading areas) στην εικόνα.

Αν το εύρος των ραδιοπαλμών δεν είναι το ίδιο σ’ όλο την έκταση του πεδίου παρατήρησης(FOV),τότε κάποια τμήματα του εξεταζόμενου σώματος θα δέχονται ραδιοπαλμούς που δεν θα είναι ακριβώς 90 ή 180 μοιρών.Σε ορισμένες περιοχές μπορεί να δέχονται ραδιοπαλμούς μικρότερου εύρους και σε άλλες περιοχές μεγαλύτερου εύρους.Ετσι κάποια μπορεί να στρέφονται λιγότερο ή περισσότερο από τις 90 και 180 μοίρες που θα έπρεπε.Το γεγονός αυτό έχει σαν συνέπεια την μεταβολή της διαμήκους μαγνήτισης,άρα και της έντασης του σήματος την οποία ανιχνεύει το μηχάνημα από την συγκεκριμένη περιοχή.

Την ίδια επίδραση έχουν και οι ανομοιογένειες του κυρίως στατικού μαγνητικού πεδίου,Βο.

 

Εξωτερικές Ραδιοσυχνότητες

Ο χώρος μέσα στον οποίο βρίσκεται ο Μαγνητικός Τομογράφος (Scan Room) είναι μονωμένος όσον αφορά τις διάφορες ραδιοσυχνότητες που μπορεί να προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον.

Page 24: Mr i Principles

Αν παρ’ όλα αυτά περάσουν μέσα ραδιοσυχνότητες εμφανίζονται στην εικόνα streak artifacts.

MAGNETIC SUSCEPTIBILITY ARTIFACT

Η Μαγνητική Δεκτικότητα(Magnetic Susceptibily) ενός υλικού είναι ένα μέτρο γιά το πόσο αυτό το υλικό μαγνητίζεται.Γιά μη μαγνητικά υλικά είναι ίση με μηδέν,γιά παραμαγνητικά και σιδηρομαγνητικά υλικά,όπου η συνισταμένη μαγνήτιση του υλικού είναι παράλληλη με το μαγνητικό πεδίο,είναι μεγαλύτερη από το μηδέν και γιά διαμαγνητικά υλικά,όπου η συνισταμένη μαγνήτιση είναι αντιπαράλληλη με το μαγνητικό πεδίο,είναι μικρότερη από το μηδέν.

Οταν μέσα στον απεικονιζόμενο όγκο υπάρχουν υλικά που εμφανίζουν απότομες αλλαγές στην Μαγνητική Δεκτικότητά τους,τότε εμφανίζεται αυτού του είδους το artifact.Ο λόγος γιά την εμφάνισή του είναι οι τοπικές μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο μέσα στον απεικονιζόμενο όγκο,οι οποίες προκαλούν αποσυμφασικοποίηση των πρωτονίων(spin dephasing).Εξαιτίας αυτού προκαλείται πτώση της έντασης του σήματος(signal loss) στα τμήματα της εικόνας που επηρεάζονται και ορισμένες φορές στα άκρα αυτής της περιοχής εμφανίζονται σημεία με υψηλής έντασης σήμα.

Page 25: Mr i Principles

Το artifact αυτό συμβαίνει,συνήθως,σε περιοχές του σώματος στις οποίες υπάρχουν προσθετικά παραμαγνητικά ή σιδηρομαγνητικά υλικά,όπως στις προσθετικές οδοντικές εργασίες ή σε οστεοσυνθέσεις.

Εκτός από τα παραπάνω εμφανίζεται και φυσιολογικά σε περιοχές όπου οι διάφοροι ιστοί που γειτνιάζουν έχουν διαφορές στη μαγνητική δεκτικότητά τους(magnetic susceptibility),όπως σε περιοχές που γειτνιάζουν ιστοί και αέρας π.χ. στο έντερο και στους κόλπους του προσώπου ή σε περιοχές στις οποίες γειτνιάζουν ιστοί και οστά.

Αυτού του είδους το artifact είναι συνήθως αμελητέο στις Spin Echo ακολουθίες.Αντίθετα είναι πολύ εμφανές στις Gradient Echo ακολουθίες και ακόμα πιό εμφανές στις EPI ακολουθίες.

Να σημειωθεί ότι το φαινόμενο παρατηρείται και από την χρήση make – up από τις γυναίκες,το οποίο περιέχει ρινίσματα σιδήρου,μερικές φορές.Πρέπει να συνιστάται στις γυναίκες να αποφεύγουν την χρήση του κατά την εξέταση.

 

Artifacts σχετιζόμενα με την Ραδιοσυχνότητα(RF) και τα Gradients

Γεωμετρική Παραμόρφωση

Αφού ένα σώμα μπει μέσα στο σταθερό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο τα πρωτόνια υδρογόνου προσανατολίζονται σε σχέση μ' αυτό.Ακολουθεί η εκπομπή του ραδιοπαλμού και η πρόσληψη συτής της ενέργειας από τα πρωτόνια.Αφού σταματήσει η εκπομπή του ραδιοπαλμού η επιπλέον ενέργεια επανεκπέμπεται από τα πρωτόνια και ανιχνεύεται από τα coils.Μ' αυτή τη διαδικασία δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε,όμως,από ποιό σημείο ακριβώς γίνεται η επανεκπομπή του σήματος.Γιά να επιτευχθεί αυτό,γιά να επιτευχθεί,δηλαδή η χωρική κωδικοποίηση (spatial encoding) του σήματος υπάρχουν τα gradient τα οποία εφαρμόζουν μικρές γραμικές μεταβολές στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.Οι μεταβολές αυτές πρέπει να είναι πολύ ακριβείς,γιά να υπάρχει μιά αντίστοιχη γραμμική σχέση υψηλής ακρίβειας,ανάμεσα στη φάση(phase) και την συχνότητα(frequency) και ανάμεσα στη θέση στο χώρο των ανατομικών δομών που απεικονίζονται στην εικόνα.

Page 26: Mr i Principles

Οι μη γραμμικές μεταβολές των gradient οδηγούν σε γεωμετρική παραμόρφωση(geometric distortion) των εικόνων.

Ρεύματα Eddy

Αυτά τα artifacts προέρχονται από την εμφάνιση ρευμάτων Eddy,εξαιτίας της γρήγορης εναλλαγής των gradient κατά την διάρκεια της εξέτασης.Αυτά τα ρεύματα έχουν και μαγνητικά πεδία τα οποία προστίθενται στο κυρίως στατικό πεδίο προκαλώντας μεταβολές στην έντασή του.

Είναι ιδιαίτερα εμφανή στις ακολουθίες με πολλές ηχούς(multiecho imaging) ή στις κινηματογραφικές ακολουθίες(cine).

Crosstalk Artifact

Το artifact αυτό προέρχεται από το ότι στον πραγματικό κόσμο τίποτα δεν είναι τέλειο.Το ίδιο συμβαίνει και με τις RF,οι οποίες δεν διεγείρουν μόνο την τομή που επιλέγουμε.Πάντα υπάρχει μιά μικρή αλληλεπικάλυψη με τις διπλανές τομές με αποτέλεσμα τα πρωτόνια αυτών των τομών να υφίστανται κορεσμό(saturation) από τους ραδιοπαλμούς που διεγείρουν τις διπλανές τομές.Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνεται ο Τ1 χρόνος αυτών των πρωτονίων και να πέφτει το SNR.