4 курс / Лучевая диагностика / ЯМРТ или МРТ
.pdf
Основы МРТ
Джозеф П. Хорнак
Об авторе
Джозеф П. Хорнак, доктор химических наук
Доктор Хорнак является профессором химии и отображения в Рочестерском технологическом институте, где он ведет курсы магнитно-резонансной томографии, ядерно-магнитно-резонансной спектроскопии и аналитической химии. В область его интересов входят мульти-спектральная классификация тканей с помощью магнитнорезонансных изображений, низкочастотный электронный спиновый резонанс свободных радикалов in vivo, разработка оборудования для магнитного резонанса и магнинорезонансная томография веществ.
Доктор Хорнак получил звание доктора химических наук в унивеситете Нотр Дам в 1982 году и провел работу после получения звания доктора в унивеситете Корнелла. Он является автором более чем 100 публикаций и конференций по темам, связанным с магнитном резонансом.
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................... |
10 |
ЯМРТ или МРТ?...................................................................................................................................... |
10 |
Томографическое отображение........................................................................................................... |
11 |
Микроскопические свойства, участвующие в формировании МРТ ................................................. |
13 |
Глава 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯМР .............................................................................................. |
15 |
Экспоненциальные функции ................................................................................................................ |
16 |
Тригонометрические функции ............................................................................................................. |
17 |
Дифференциалы и интегралы .............................................................................................................. |
18 |
Вектора ................................................................................................................................................... |
19 |
Матрицы................................................................................................................................................. |
20 |
Преобразования координат ................................................................................................................. |
21 |
Свертывание .......................................................................................................................................... |
22 |
Комплексные числа............................................................................................................................... |
22 |
Преобразования Фурье......................................................................................................................... |
23 |
Глава 3 ФИЗИКА СПИНА ............................................................................................................................ |
23 |
Спин ........................................................................................................................................................ |
23 |
Свойства спина....................................................................................................................................... |
24 |
Ядра, имеющие ненулевой спин ......................................................................................................... |
24 |
Энергетические уровни......................................................................................................................... |
25 |
Переходы ............................................................................................................................................... |
26 |
Диаграммы энергетических уровней .................................................................................................. |
26 |
Стационарный МР метод...................................................................................................................... |
27 |
Статистика Больцмана .......................................................................................................................... |
28 |
Спиновые пакеты................................................................................................................................... |
29 |
T1-процессы ........................................................................................................................................... |
30 |
Прецессия............................................................................................................................................... |
32 |
T2-процессы ........................................................................................................................................... |
33 |
Вращающаяся система координат....................................................................................................... |
35 |
2
Импульсные магнитные поля............................................................................................................... |
36 |
Спиновая релаксация............................................................................................................................ |
39 |
Уравнения Блоха.................................................................................................................................... |
42 |
Глава 4 ЯМР СПЕКТРОСКОПИЯ ................................................................................................................. |
42 |
Временной интервал ЯМР-сигнала...................................................................................................... |
42 |
Соглашение о знаке частоты ................................................................................................................ |
43 |
90-FID последовательность .................................................................................................................. |
44 |
Спин-эхо последовательность.............................................................................................................. |
45 |
Последовательность инверсия-восстановление ................................................................................ |
47 |
Химический сдвиг.................................................................................................................................. |
49 |
Глава 5 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ............................................................................................................ |
50 |
Введение ................................................................................................................................................ |
50 |
Проблема с положительными и отрицательными частотами .......................................................... |
51 |
Преобразование Фурье......................................................................................................................... |
53 |
Фазовая коррекция ............................................................................................................................... |
58 |
Пары Фурье ............................................................................................................................................ |
61 |
Теорема о свертке ................................................................................................................................. |
63 |
Числовое преобразование Фурье........................................................................................................ |
65 |
Ошибка дискретизации ........................................................................................................................ |
65 |
Двумерное преобразование Фурье..................................................................................................... |
66 |
Глава 6 ПРИНЦИПЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ........................................................................................................ |
68 |
Введение ................................................................................................................................................ |
68 |
Градиент магнитного поля.................................................................................................................... |
68 |
Частотное кодирование........................................................................................................................ |
69 |
Метод обратного проецирования ....................................................................................................... |
70 |
Выбор среза ........................................................................................................................................... |
73 |
Глава 7 ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ В ТОМОГРАФИИ......................................................... |
76 |
Введение ................................................................................................................................................ |
76 |
Градиент фазового кодирования......................................................................................................... |
76 |
3
Томография с применением преобразования Фурье |
........................................................................77 |
Преобразование сигнала...................................................................................................................... |
82 |
Разрешение изображения.................................................................................................................... |
96 |
Глава 8 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ТОМОГРАФИИ.......................................................................................... |
99 |
Введение ................................................................................................................................................ |
99 |
Многослойная томография .................................................................................................................. |
99 |
Наклонная томография ....................................................................................................................... |
101 |
Спин-эхо томография .......................................................................................................................... |
102 |
Томография инверсия-восстановление............................................................................................. |
105 |
Томография градиентное эхо............................................................................................................. |
106 |
Контраст изображения........................................................................................................................ |
110 |
Усреднение сигнала ............................................................................................................................ |
117 |
Глава 9 АППАРАТУРА ............................................................................................................................... |
118 |
Обзор аппаратуры ............................................................................................................................... |
118 |
Магнит .................................................................................................................................................. |
119 |
Градиентные катушки ......................................................................................................................... |
120 |
РЧ катушки............................................................................................................................................ |
122 |
Фазочувствительный детектор........................................................................................................... |
127 |
Безопасность........................................................................................................................................ |
128 |
МРТ Инструкции по безопасности (1982).......................................................................................... |
128 |
Фантомы............................................................................................................................................... |
130 |
Глава 10 ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ.................................................................................................. |
131 |
Гистограмма изображения........................................................................................................... |
131 |
Обработка изображений .................................................................................................................... |
132 |
Координаты изображения.................................................................................................................. |
139 |
Плоскости изображения ..................................................................................................................... |
140 |
Глава 11 АРТЕФАКТЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ.................................................................................................... |
142 |
Введение .............................................................................................................................................. |
142 |
РЧ квадратурный артефакт ................................................................................................................. |
143 |
4
Артефакты негомогенности поля Bo.................................................................................................. |
143 |
Артефакты градиентов........................................................................................................................ |
144 |
Артефакты РЧ негомогенности........................................................................................................... |
144 |
Артефакты движения .......................................................................................................................... |
145 |
Артефакты потока................................................................................................................................ |
151 |
Артефакты химического сдвига.......................................................................................................... |
152 |
Артефакты частичного объема........................................................................................................... |
155 |
Артефакты заворота ............................................................................................................................ |
156 |
Звон Гиббса .......................................................................................................................................... |
160 |
Глава 12 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ТОМОГРАФИИ ............................................................................... |
160 |
Введение ........................................................................................................................................ |
160 |
Объемное построение (трехмерное построение)............................................................................ |
160 |
Отображение тока (МР ангиография)................................................................................................ |
163 |
Диффузионная томография................................................................................................................ |
167 |
Томография турбо спин-эхо................................................................................................................ |
167 |
Отображение химического сдвига (подавление жировой ткани) .................................................. |
168 |
Эхо-планарная томография (функциональная МРТ)........................................................................ |
170 |
Пространственно-локализующая спектроскопия............................................................................. |
173 |
Химические контрастирующие агенты.............................................................................................. |
176 |
Контрастирование переносом намагниченности............................................................................. |
177 |
Отображение с переменной шириной спектра................................................................................ |
180 |
T1, T2, и изображения...................................................................................................................... |
182 |
Классификация тканей ........................................................................................................................ |
183 |
Отображение гиперполяризованных инертных газов..................................................................... |
187 |
Глава 13 Ваше МРТ исследование ................................................................................................... |
188 |
Введение .............................................................................................................................................. |
188 |
Осмотр.................................................................................................................................................. |
194 |
Томограф.............................................................................................................................................. |
195 |
Исследование ...................................................................................................................................... |
196 |
5
Результаты исследования................................................................................................................... |
197 |
Глава 14 Клинические изображения ..................................................................................................... |
197 |
Ангиография......................................................................................................................................... |
198 |
Голова и шейный отдел ...................................................................................................................... |
201 |
Позвоночник ........................................................................................................................................ |
210 |
Конечности........................................................................................................................................... |
219 |
Глоссарий ................................................................................................................................................. |
221 |
Аксиальный.......................................................................................................................................... |
221 |
Ангиография......................................................................................................................................... |
221 |
Артефакт............................................................................................................................................... |
222 |
Быстрое спин-эхо................................................................................................................................. |
222 |
Вектор суммарной намагниченности ................................................................................................ |
222 |
Величина .............................................................................................................................................. |
222 |
Верхний (superior) ............................................................................................................................... |
222 |
Воксел................................................................................................................................................... |
222 |
Временная диаграмма........................................................................................................................ |
222 |
Время инверсии ( TI )........................................................................................................................... |
222 |
Время повторения ............................................................................................................................... |
222 |
Время спин-решеточной релаксации ( T1 )....................................................................................... |
222 |
Время спин-спиновой релаксации..................................................................................................... |
223 |
Время эхо ( TE ) .................................................................................................................................... |
223 |
Гиромагнитное соотношение............................................................................................................. |
223 |
Градиент ( G ) ....................................................................................................................................... |
223 |
Градиент восстановленное эхо последовательность....................................................................... |
223 |
Градиентное эхо .................................................................................................................................. |
223 |
Двойной балансный смеситель ......................................................................................................... |
223 |
Действительный .................................................................................................................................. |
223 |
Задний (posterior) ................................................................................................................................ |
223 |
Изоцентр .............................................................................................................................................. |
223 |
6
Импульсная последовательность ...................................................................................................... |
224 |
К-пространство .................................................................................................................................... |
224 |
Катушка................................................................................................................................................. |
224 |
Катушка, имеющая вид восьмерки.................................................................................................... |
224 |
Катушка "птичья клетка" ..................................................................................................................... |
224 |
Комплексные данные ......................................................................................................................... |
224 |
Контраст................................................................................................................................................ |
224 |
Контрастирующий агент ..................................................................................................................... |
224 |
Коронарный ......................................................................................................................................... |
224 |
Коэффициент пропорциональности .................................................................................................. |
224 |
Ларморова частота.............................................................................................................................. |
225 |
Лоренциан............................................................................................................................................ |
225 |
Магнитно-резонансная ангиография (МРА) ..................................................................................... |
225 |
Магнитно-резонансная томография (МРТ) ....................................................................................... |
225 |
Матрица вращения.............................................................................................................................. |
225 |
Мнимый ............................................................................................................................................... |
225 |
Наклонная томография ....................................................................................................................... |
225 |
Нижний (inferior).................................................................................................................................. |
225 |
Одновитковая соленоидальная катушка........................................................................................... |
225 |
Отображающая последовательность ................................................................................................ |
225 |
Объемная томография........................................................................................................................ |
225 |
Пиксел................................................................................................................................................... |
226 |
Передний (anterior) ............................................................................................................................. |
226 |
Поверхностная катушка ...................................................................................................................... |
226 |
Поперечная намагниченность............................................................................................................ |
226 |
Последовательность инверсия-восстановление .............................................................................. |
226 |
Преобразование координат ............................................................................................................... |
226 |
Преобразование Фурье ( FT ).............................................................................................................. |
226 |
Прецессия............................................................................................................................................. |
226 |
7
Продольная намагниченность ........................................................................................................... |
226 |
r-взвешенное изображение ............................................................................................................... |
226 |
Радиочастота........................................................................................................................................ |
226 |
Расфазирующий градиент .................................................................................................................. |
227 |
Резонанс............................................................................................................................................... |
227 |
РЧ-импульс........................................................................................................................................... |
227 |
Сагиттальный ....................................................................................................................................... |
227 |
Свертка ................................................................................................................................................. |
227 |
Сверхпроводящий ............................................................................................................................... |
227 |
Седловидная катушка ......................................................................................................................... |
227 |
Sinc импульс......................................................................................................................................... |
227 |
Спад свободной индукции ( FID ) ....................................................................................................... |
227 |
Спин ...................................................................................................................................................... |
227 |
Спиновая плотность ............................................................................................................................ |
227 |
Спиновый пакет ................................................................................................................................... |
228 |
Спин-решеточная релаксация ............................................................................................................ |
228 |
Спин-спиновая релаксация................................................................................................................. |
228 |
Спин-эхо ............................................................................................................................................... |
228 |
Стоячая волна (CW) ............................................................................................................................. |
228 |
"Сырые" данные .................................................................................................................................. |
228 |
T1-взвешенное изображение............................................................................................................. |
228 |
T2-взвешенное изображение............................................................................................................. |
228 |
T2*......................................................................................................................................................... |
228 |
Таблица преобразования (LUT).......................................................................................................... |
228 |
Тлщ........................................................................................................................................................ |
229 |
Томографический срез........................................................................................................................ |
229 |
Удельная скорость поглощения (УСП)............................................................................................... |
229 |
Фазочувствительная детекция ........................................................................................................... |
229 |
Функциональная томография............................................................................................................. |
229 |
8
Химический сдвиг................................................................................................................................ |
229 |
Частотно-кодирующий градиент (Gf) ................................................................................................ |
229 |
Эхо......................................................................................................................................................... |
229 |
Эхо-планарная томография ( ЭПТ ) .................................................................................................... |
229 |
Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) .................................................................................................. |
229 |
Список обозначений ........................................................................................................................... |
230 |
9
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ
ЯМРТ или МРТ?
Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это метод отображения, используемый, главным образом, в медицинских установках, для получения высококачественных изображений органов человеческого тела. МРТ основана на принципах ядерномагнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул. Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом "ядерный" в конце 1970-х годов. МРТ получила начало, как метод томографического отображения, дающий изображения ЯМРсигнала из тонких срезов, проходящих через человеческое тело. МРТ развивалась от метода томографического отображения к методу объемного отображения. Этот обучающий пакет представляет всестороннее рассмотрение основных принципов МРТ.
Перед началом изучения научных аспектов МРТ, будет полезным остановиться на краткой истории МРТ.
MRI Timeline
1946 |
MR phenomenon - Bloch & Purcell |
|
1952 |
Nobel Prize - Bloch & Purcell |
|
1950 |
NMR developed as analytical tool |
|
1972 |
Computerized Tomography |
|
1973 |
Backprojection MRI - Lauterbur |
|
1975 |
Fourier Imaging - Ernst |
|
1977 |
Echo-planar imaging - Mansfield |
|
1980 |
FT MRI demonstrated - Edelstein |
|
1986 |
Gradient Echo Imaging |
|
NMR Microscope |
||
|
||
1987 |
MR Angiography - Dumoulin |
|
1991 |
Nobel Prize - Ernst |
|
1992 |
Functional MRI |
|
1994 |
Hyperpolarized 129Xe Imaging |
|
2003 |
Nobel Prize - Lauterbur & Mansfield |
В 1946 году Блох и Парселл независимо открыли явление магнитного резонанса и в 1952 году оба были удостоены Нобелевской премии, В период с 1950 по 1970 годы, ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа. В 1972 году была представлена компьютерная томография (КТ), основанная на
10