磁振造影原理

2017/3/7 1 磁振造影原理概論 2017.3.7

2017/3/7 2 Outline 磁振造影原理 硬體系統 序列程序 磁振造影應用

2017/3/7 3 何謂 MRI?

2017/3/7 4 磁振造影 是利用核磁共振 (nuclear magnetic resonance,nmr) 原理, 依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減, 通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波, 即可得知構成這一物體原子核的位置和種類, 據此可以繪製成物體內部的結構圖像 圖 ( 一 ) 超導型磁共振成像儀 圖 ( 二 ) 永磁型磁共振成像儀

2017/3/7 5 何謂 MRI? M (magnetic): 訊號的來源, 人體中小磁鐵的磁化 R (resonance): 共振, 小磁鐵激發偵測的原理, 小磁鐵和射頻脈衝間的交互作用 I (imaging) : 訊號轉為影像的方式 直立式 MRI

2017/3/7 6 磁化 (Magnetization)

2017/3/7 7 Magnetic susceptibility 所有物質放在磁場中時, 均有一定的磁化程度, 而一個物質的感磁性是用來衡量他們被磁化了多少 MRI 所使用的物質共可分為三種不同的感磁性 - 順磁性 反磁性和鐵磁性 B=μ*H B= 磁通密度 (magnetic flux density) μ= 磁導率 (magnetic permeability) H= 磁場強度 (magnetic field intensity)

2017/3/7 8 物質的磁性與在 MRI 的用途 順磁性 (paramagnetic) 物質 : 導磁係數 (μ) 與空氣相近者, 如 : 鋁 鉻等物質 ( 釓 鏑 血液 ) 反磁性 (diamagnetic) 物質 : 導磁係數 (μ) 比空氣或真空小者, 如 : 金 銀等物質 ( 水及大部份組織 ) 鐵磁性 (ferromagnetic) 物質 : 導磁係數 (μ) 比空氣大者, 如 : 鐵 鋼等物質 ( 動脈瘤夾 榴霰彈片 )

2017/3/7 9 自旋 (Spin) 古典物理中, 旋轉中的物體具有角動量 (angular momentum) 的特性, 其大小和物體的外型 尺寸 質量以及向量的大小有關 而在原子或次原子的領域中, 則以自旋來表示, 也就是說明粒子繞著本身軸位旋轉的特性

2017/3/7 10 人體內的小磁鐵 電子 質子帶有電荷且有自旋現象, 故其行為類似於微小的電流迴路, 因為移動的電荷會產生磁場, 故電子 質子就好像是微小的磁鐵, 有著北極和南極, 故稱為磁偶極 (magnetic dipole)

2017/3/7 11 不同於古典力學的想法, 自旋角動量只能有某些特定的值, 即有量子化的現象, 例如電子 質子等粒子的自旋量子數 (S) 為 1/2, 其自旋角動量在某一軸向的分量只能有兩個值 ( 能階數 = 2S+1), 正負號表示方向, 故有 spin-up 與 spindown 兩種狀態之稱

2017/3/7 12 根據庖立不相容原理 (Pauli exclusion principle), 兩個電子不能處在同一個量子狀態, 故若其一為 spin-up, 另一必為 spin-down 若一原子有偶數個電子, 即有偶數個質子, 則 spin-up spin-down 兩種狀態互相抵消, 所以無法有可被觀察到的自旋現象 然而, 若一原子有奇數個電子 ( 即不成對 ), 亦有奇數個質子, 此時自旋現象才能被彰顯出來, 氫原子就是其中一個例子

2017/3/7 13 NET MAGNETIC FIELD 原子核中質子數目為偶數 (even)* 她們的磁場會互相抵消, 而使得淨磁場為 0 原子核中質子數目為奇數 (odd)* 因而可以產生一個淨磁場或稱磁矩極矩 (magnetic dipole moment, MDM)

2017/3/7 14 淨磁偶極的平衡 沒有外加磁場時, 氫原子核 ( 僅有一個質子 ) 的磁偶極沒有特定的指向, 淨磁化強度 ( 所有磁偶極的加總,net magnetization) 等於 0

2017/3/7 15 當外加磁場施加 場域內的氫原子核, 受主磁場的強大作用力影響, 產生順著主磁場方向 (spin-up) 與逆著主磁場方向 (spin-down) 的排列 最終, 在相互抵消的作用下, 產生一個順著主磁場方向 (spin-up) 的靜磁矩

2017/3/7 16 原子的旋進 (Precession) 除了在自己的軸位上產生自旋, 質子也會順著主磁場的方向, 以特定的頻率產生繞進的現象, 我們稱之為 --- 旋進

2017/3/7 17 共振 (resonance)

2017/3/7 18 Radio Frequency Pulse 電磁波 --- 傳遞能量 能量的傳遞須符合 ---- 拉莫頻率 施加的方向與 B0 垂直 將縱向磁矩偏轉到橫向平面

2017/3/7 19 磁場的向量變化 (RF 施加前 )

2017/3/7 20 旋進頻率 ( 拉莫頻率 ) W 0 =γ B 0 當 RF 施加時. RF 頻率與系統之頻率相同 能量傳遞給系統, 將 spin-up 之質子轉移至 spin-down 縱向磁矩偏轉至 XY 軸平面, 磁矩消減為 0 橫向磁矩因質子同相, 產生最大橫向磁矩

2017/3/7 21 發生了什麼事??? 縱向磁場的回復 ---- T1 recovery 橫向磁場的衰減 ---- T2 decay

2017/3/7 22 弛緩 在 B1 關閉後, 氫原子核要從激發狀態回到平衡狀態, 與主磁場對齊, 主要有兩個互相獨立的歷程, 分別稱為自旋晶格弛緩 (spin-lattice relaxation) 和自旋自旋弛緩 (spinspin relaxation), 分別是 Z 分量的回復和 X-Y 分量的歸零, 其弛緩的時間常數 (time constant) 分別稱為 T1 和 T2, 故又稱為 T1 弛緩和 T2 弛緩

2017/3/7 23 T1 弛緩 氫原子核將先前吸收的能量以熱能的方式釋放到鄰近的組織 (lattice) 中, 使得氫原子核可和主磁場對齊 弛緩的時間常數, 即 Z 分量回復到原來 M0 的 63% 所需的時間稱為 T1, 大約需要 5 倍 T1 的時間,Z 分量可完全恢復 M z (TR)=M 0 (1-e -TR/T1 ) TR time of repetition

2017/3/7 24 T1 弛緩 (relaxation)

2017/3/7 25 不同組織的 T1 曲線

2017/3/7 26 T2 弛緩 當有 B1 磁場時, 眾多氫原子核以同樣的相位 (phase) 自旋, 當 B1 關閉時, 外力的協助消失, 氫原子核間會有隨機的運動, 彼此碰撞交換能量 ( 所以稱為 spin-spin relaxation), 使相位一致性 (phase coherence) 消失, 有的氫原子核進動較快, 有的氫原子核進動較慢, 使 X-Y 分量互相抵消逐漸回復到零 X-Y 分量減少到 M0 的 37%( 也就是衰減了 63%) 的時間稱為 T2,T2 通常短於 T1 M xy (t) = M 0 (1-e -TR/T1 )(e -t/t2* ) =Mz(TR)(e -t/t2* )

2017/3/7 27 T2 弛緩 (relaxation)

2017/3/7 28 不同組織的 T2 曲線

2017/3/7 29 T2 vs T2* 造成橫向磁場衰減的原因 : --- Spin-Spin 間的交互作用 ( 失相 ) --- 主磁場的不均勻 ( 可以被修正 ) T2 --- 造成橫向磁場衰減的原因僅為 Spin-Spin 間的交互作用 T2*--- Spin-Spin 間的交互作用 + 主磁場的不均勻

2017/3/7 30 成像與造影 (Imaging)

2017/3/7 31 思考 不同組織在 T1 T2 都有不同訊號的表現 在適當的時間擷取訊號 不同的組織就可以被區分出來了! 傅立葉轉換 ---- 時間函數頻率函數 適當的空間編碼, 填入 K-space 中,MRI 的影像就出來了

2017/3/7 32 成像 ( 空間編碼 ) MRI 量測到的是人體某一區塊中的所有氫原子核激發 弛緩的訊號, 為了要了解人腦中不同位置的結構或功能性變化, 必須在訊號中加入空間位置的訊息, 簡單來說, 這分為在 Z 方向的切面選擇 (slice selection),x-y 平面上任一軸例如 X 方向的頻率編碼 (frequency encoding), 和 X-Y 平面上另一軸例如 Y 方向的相位編碼 (phase encoding), 要在那個方向做切面選擇 頻率 相位編碼視實際需求而定 所用到的技術是梯度磁場的概念以及二維傅利葉轉換 (2-D Fourier transform)

2017/3/7 33 相位 vs. 頻率 MRI 訊號 : 具週期性, 以 sin or cos 呈現, 具有 0~360 度的相位變化 相位 (Phase): 在特定的時間點中訊號波形 (Waveform) 循環中的位置 頻率 (Frequency): 單位時間內, 產生訊號週期的數目 (Cycle/Sec)

2017/3/7 34 訊號 頻率 相位與相位偏移

2017/3/7 35 切面選擇 (Slice Selection) 空間編碼的第一步 在切面方向施加一個梯度磁場, 藉此在不同的位置產生相對不同的磁場強度 (B0+Gz)

2017/3/7 36 選擇切面的方式

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2017/3/7 38 頻率編碼 (Frequency Encoding)

2017/3/7 39 相位編碼 (Phase Encoding)

2017/3/7 40 空間編碼的結果 ( 相位 + 頻率 )

2017/3/7 41 相位編碼與 TR( 重複時間 )

2017/3/7 42 Data Space to image(k Space)

2017/3/7 43 K 空間 (K space) 數字化的數字空間 k : 波數 (wave number) 單位長度的 sine/cosine 週期數 k-space data : 未經傅立葉轉換的 MRI 數據 k = 波數 = 空間頻率 radians/cm ( radians/cm ( 書本常見 )

2017/3/7 44 視野 (FOV) MRI 操作者所選取身體成像部分的大小尺寸, 實施掃描的解剖區域 以 X 為例 FOVx=2п/γ( 旋磁比 )Gx( 梯度強度 ) Ts( 採樣間隔 ) Kx( 水平方向之刻度 )=1/FOVx ( 週期 /m) X( 像素水平方向大小 )=FOVx/Nx( 頻率編碼取樣數 )

2017/3/7 45 硬體系統

2017/3/7 46 硬體上的需求 主磁場 永久磁場 電磁場 超導磁場 線圈 (coil) 梯度線圈 (Gradient coils) 勻場線圈 (Shim coils) 射頻線圈 (Radio frequency coils)

2017/3/7 47 磁場產生的方式 永久磁場 電磁場 電生磁, 磁生電 超導磁場 導體的電阻為零 指電流流通時無阻力的現象, 也就是產生永久電流 (persistent current) 絕對低溫 (4-6 K)

2017/3/7 48 超導體 超導體系統主要由超導主線圈, 超導勻場線圈 超導屏障線圈 液氦杜瓦瓶 制冷機等組成 傳統超導主線圈是六線圈系統, 線圈由鈮鈦線繞制, 其超導臨界溫度溫度為 9.2K 線圈骨架材料一般用鋁 玻璃銅纖維及碳纖維

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2017/3/7 50 雙環式 MRI

2017/3/7 51 其他開放式 MRI

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2017/3/7 53 梯度線圈 (Gradient coils) X 軸 Y 軸 Z 軸都需要形成梯度磁場, 以不同的比例組合就可以得到不同的斜切位

2017/3/7 54 z 梯度

2017/3/7 55 y 梯度線圈

2017/3/7 56 x 梯度線圈

2017/3/7 57 指紋型 x(y) 梯度線圈

2017/3/7 58 梯度線圈 (Gradient coils) Gz(Gs) slice-selection 切面選擇 Gy(Gp) phase-encoding 相位編碼 Gx(Gr) frequency-encoding 頻率編碼

2017/3/7 59 z 梯度線圈實體圖

2017/3/7 60 x 或 y 梯度線圈實體圖

2017/3/7 61 勻場線圈 (Shim coils) 被動式 維持主磁場的均勻性 主動式 維持局部磁場的均勻性, 特別是在梯度回音或脂肪的化學位移消除技術,shimming 可以使變動降低但不盡然完全消除

2017/3/7 62 射頻線圈 負責在 Larmor frequency 範圍附近做信號的激發或接收 必須產生高頻率旋轉磁場 線圈的要求 1. 在拉莫頻率範圍需要高效率 2. 產生的磁場 B1 須與 Bo 垂直

2017/3/7 63 無線電天線的類比

2017/3/7 64 共振線路原理

2017/3/7 65 射頻共振線路

2017/3/7 66 射頻線圈 (Radio frequency coils)

2017/3/7 67 直腸線圈

2017/3/7 68 Phased Array Coils

2017/3/7 69 MRI 室的銅質 RF Shielding

2017/3/7 70 MRI 儀器元件

2017/3/7 71 磁振造影儀器基本硬體系統

2017/3/7 72 磁振造影安全性 影響裝置功能或 MRI 儀器本身產生之危害 心臟節律器 血管夾 金屬物品 ( 剪刀 髮夾 氧氣瓶..) RF 產生的熱效應 紋眉 紋身 精油 髮膠 掃描過程中病人身體 ( 皮膚 ) 不要直接觸碰磁體內壁及各種導線

2017/3/7 73 SAR (Specific Absorption Ratio) 每單位質量的物體, 因 RF 能量傳遞, 造成物體能量吸收的比例 ( 單位 : W/Kg) 依據 FDA 的規範, 不得超過 4 W/Kg 不同的部位,SAR 值的吸收也有所不同 SAR 值產生的效應, 以熱的方式來表現

2017/3/7 74 序列程序

2017/3/7 75 脈衝序列 (PSD) 產生一個磁共振圖像數據的步驟通常叫脈衝序列 (pluse sequence) 自旋回波 (SE) 反轉恢復 (IR) 梯度回波 (GE)

2017/3/7 76 自由衰減訊號 (FID) 1. 以 sinω 0 t 規律震盪 2. 以 e -t/t2* sinω 0 t 規律衰減

2017/3/7 77 Sinc 波 (sinc wave)

2017/3/7 78 自旋回波 (Spin Echo)

2017/3/7 79 自旋回波訊號 靜止磁場中, 宏觀磁化與場強方向一致, 縱向宏觀磁化最大 90 度射頻結束瞬間, 磁化翻轉到橫向, 開始橫向弛豫, 即散相 經過與散相相同的時間後, 相位重聚完全, 橫向磁化再次達到最大值 施加 90 度射頻脈衝, 縱向磁化翻轉到橫向, 橫向磁化最大 施加 180 度射頻脈衝, 質子進動反向, 相位開始重聚 此時的線圈感應信號即為自旋回波信號

2017/3/7 80 自旋回波訊號

2017/3/7 81 自旋回波 K-space

2017/3/7 82 自旋回波 K-space

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2017/3/7 84 磁振造影應用

2017/3/7 85 MRI 應用

2017/3/7 86 MATERIALS AND METHODS

2017/3/7 87 RESULTS

2017/3/7 88

2017/3/7 89 影片連結 如何製造 MRI

2017/3/7 90 參考文獻 熊國欣 / 李立本,2007, 核磁共振成像原理 維基百科,2016, 核磁共振成像 李正輝,MRI 基本物理原理 MARKUS RUDIN, 1987,MR Microscopy on Rats in Vivo at 4.7 T Using Surface Coils 鍾孝文, 台大電機系,MRI 的主要硬體 : 磁鐵 梯度 RF 線圈

2017/3/7 91 磁振造影作業 1. 對於 256*256 的層面圖像來說, 已知沿 X 軸和 Y 軸的視野 (FOV)x 和 (FOV)y 分別為 256mm,(1) 求沿 X 軸和 Y 軸方向像素大小 ;(2) 成面對 K 空間的大小 2. 若 MRI 儀器的最高梯度為 40mT/m, 在不考慮梯度開啟所需時間的情形下, 若要取得一張 64x64 的 EPI 影像,FOV 為 220 mm, 請估計一張 EPI 影像最短約需要多少時間 3. 對稱 Sinc 脈衝, 主波兩邊各有一個副波, 用於脂肪抑制, 在 1.5T 水質子頻率為 63.85847MHz, 試算 Sinc 脈衝的載頻與脈衝寬度 ( 脂肪質子比水質子低 3.4ppm)