Introduzione alla risonanza magnetica per immagini (MRI) Fabio Tedoldi Bracco Imaging Spa fabio.tedoldi@bracco.com



Documenti analoghi
Tutte le tecniche spettroscopiche si basano sulla interazione tra radiazione elettromagnetica e materia.

USO DIAGNOSTICO E DI COMPLESSI METALLICI

Campione sciolto in un solvente (deuterato) e. posto in un tubo. di vetro a pareti sottili di diametro di 5 mm e lungo circa 20 cm

Risonanza magnetica nucleare. Sequenze di eccitazione

APPUNTI DI RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE Dr. Claudio Santi. CAPITOLO 1 NMR Risonanza Magnetica Nucleare

Le sequenze di impulsi

ELEMENTI DI FISICA E TECNICA DI IMMAGINE

Il Campionameto dei segnali e la loro rappresentazione. 1 e prende il nome frequenza di

GIROSCOPIO. Scopo dell esperienza: Teoria fisica. Verificare la relazione: ω p = bmg/iω

la scienza della rappresentazione e della elaborazione dell informazione

Introduzione all analisi dei segnali digitali.

Elementi di teoria dei segnali /b

Il concetto di valore medio in generale

a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 Utilizzo ECG

Carichiamo il segnale contenuto nel file ecg_es_ mat

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA.

9. Urti e conservazione della quantità di moto.

RETTE, PIANI, SFERE, CIRCONFERENZE

Corso di. Dott.ssa Donatella Cocca

Scheda n. 10: PCA - parte seconda

Forze come grandezze vettoriali

1. Introduzione. 2. Simulazioni elettromagnetiche per la misura del SAR

2. Leggi finanziarie di capitalizzazione

Capitolo 4: Ottimizzazione non lineare non vincolata parte II. E. Amaldi DEIB, Politecnico di Milano

Modelli matematici e realtà:

Teoria in sintesi 10. Attività di sportello 1, 24 - Attività di sportello 2, 24 - Verifica conclusiva, 25. Teoria in sintesi 26

Fondamenti teorici dello SS

Esempi di funzione. Scheda Tre

DIPLOMA A DISTANZA IN INGEGNERIA ELETTRICA

Informatica per la comunicazione" - lezione 7 -

METODO PER LA DESCRIZIONE DEL CAMPO MAGNETICO ROTANTE

Inferenza statistica. Statistica medica 1

Grandezze fisiche e loro misura

1 Applicazioni Lineari tra Spazi Vettoriali

Registratori di Cassa

RM Formazione dell immagine

Dimensione di uno Spazio vettoriale

a t Esercizio (tratto dal problema 5.10 del Mazzoldi)

4 Dispense di Matematica per il biennio dell Istituto I.S.I.S. Gaetano Filangieri di Frattamaggiore EQUAZIONI FRATTE E SISTEMI DI EQUAZIONI

MAGNETIC RESONANCE IMAGING

Tomografia a Risonanza Magnetica. superconduttori

FUNZIONE. Si scrive: A B f: A B x y=f(x) (si legge: f funzione da A in B) x f y= f(x)

Esempio di introduzione. della statistica a scuola

Q 1 = C carica numero 1 Q 2 = C carica numero 2 forza esercitata tra le cariche distanza tra le cariche, incognita

Guide d onda. Cerchiamo soluzioni caratterizzate da una propagazione lungo z

( x) ( x) 0. Equazioni irrazionali

Proiezioni Grafica 3d

Test, domande e problemi di Robotica industriale

La propagazione delle onde luminose può essere studiata per mezzo delle equazioni di Maxwell. Tuttavia, nella maggior parte dei casi è possibile

Massimi e minimi vincolati

MISURE DIMENSIONALI MISURE DIMENSIONALI: - Sistemi a contatto. - Sistemi senza contatto.

Lezione n. 2 (a cura di Chiara Rossi)

PROBABILITÀ - SCHEDA N. 2 LE VARIABILI ALEATORIE

E naturale chiedersi alcune cose sulla media campionaria x n

Per studio di funzione intendiamo un insieme di procedure che hanno lo scopo di analizzare le proprietà di una funzione f ( x) R R

MESSA IN SCALA DI ALGORITMI DIGITALI

L EQUILIBRIO UNIVERSALE dalla meccanica celeste alla fisica nucleare

Manuale d uso per la raccolta: Sicurezza degli impianti di utenza a gas - Postcontatore

QUESITO 1 A FISICA. Il candidato illustri il primo principio della termodinamica. Consideri poi la seguente

Preprocessamento dei Dati

Controllori PID, metodi di taratura e problemi d implementazione

Istituzioni di Economia Laurea Triennale in Ingegneria Gestionale. Lezione 26 I mercati finanziari

Il file seme o file modello del disegno

Teoria delle code. Sistemi stazionari: M/M/1 M/M/1/K M/M/S

L Immagine Digitale e RM

regola(1,[e,f],b) regola(2,[m,f],e) regola(3,[m],f) regola(4,[b,f],g) regola(5,[b,g],c) regola(6,[g,q],a)

4. Proiezioni del piano e dello spazio

ATTIVAZIONE SCHEDE ETHERNET PER STAMPANTI SATO SERIE ENHANCED

ARCHIVIAZIONE DOCUMENTI

SCHEDA TECNICA. Codice a barre 3 di 9

Indagine sismica. MASW - Multichannel Analysis of Surface Waves

IL CAMPO MAGNETICO. V Scientifico Prof.ssa Delfino M. G.

Tecniche di Simulazione: Introduzione. N. Del Buono:

LE FUNZIONI A DUE VARIABILI

Sommario. Definizione di informatica. Definizione di un calcolatore come esecutore. Gli algoritmi.

EQUAZIONI DIFFERENZIALI Esercizi svolti. y = xy. y(2) = 1.

Richiami: funzione di trasferimento e risposta al gradino

bensì una tendenza a ruotare quando vengono applicate in punti diversi di un corpo

MINIMIZZAZIONE DEI COSTI

x u v(p(x, fx) q(u, v)), e poi

Parte I. Prima Parte

Grandezze scalari e vettoriali

Complementi di Analisi per Informatica *** Capitolo 2. Numeri Complessi. e Circuiti Elettrici. a Corrente Alternata. Sergio Benenti 7 settembre 2013

La trasformata Zeta. Marco Marcon

Rappresentazione grafica di un sistema retroazionato

CONTINUITÀ E DERIVABILITÀ Esercizi proposti. 1. Determinare lim M(sinx) (M(t) denota la mantissa di t)

Rette e curve, piani e superfici

Correzione dell Esame di Statistica Descrittiva (Mod. B) 1 Appello - 28 Marzo 2007 Facoltà di Astronomia

Esame di Stato Tema di Matematica

Corso di Visione Artificiale. Filtri parte I. Samuel Rota Bulò

Piano di gestione della qualità

LE SUCCESSIONI 1. COS E UNA SUCCESSIONE

Università degli studi di Messina facoltà di Scienze mm ff nn. Progetto Lauree Scientifiche (FISICA) Prisma ottico

LEZIONE DI ELETTRONICA per la classe 5 TIM/TSE

Lezione 5. Argomenti. Premessa Vincolo di bilancio La scelta ottima del consumatore

VARIANZA CAMPIONARIA E DEVIAZIONE STANDARD. Si definisce scarto quadratico medio o deviazione standard la radice quadrata della varianza.

Funzioni di Trasferimento Movimenti

Andrea Pagano, Laura Tedeschini Lalli

GRANDEZZE ALTERNATE SINUSOIDALI

Esercitazioni di Calcolo Numerico 23-30/03/2009, Laboratorio 2

Transcript:

Introduzione alla risonanza magnetica per immagini (MRI) Fabio Tedoldi Bracco Imaging Spa fabio.tedoldi@bracco.com

Overview B 0 E MR-Imaging E 0 E = Risonanza/Spettroscopia + T 1, T 2, T 2 *, D, v,, Contrasto Codifica Spaziale + 2

Risonanza Ogni spin nucleare (in posizione r all interno del campione) immerso in un campo magnetico B(r) in direzione z precede attorno a z con frequenza proporzionale all intensità del campo. s x = s cos [ t + ] s y = s sin [ t + ] s = s exp [i( t + )] s z = s (r) = B(r) 3

Segnale NMR, spettro NMR Il segnale NMR prodotto da una determinata specie nucleare eterogeneamente distribuita all interno del campione e sottoposta ad un campo magnetico site-dependent, è espresso dalla somma dei singoli contributi a diversa frequenza: S(t) = ( ) s(,t) d = ( ) s exp [i( t + )] d Il altre parole il segnale NMR è la FT della distribuzione di frequenze di risonanza all interno del campione. Per dedurre tale distribuzione (Spettro) dai dati sperimentali in timedomain, basta (anti-) trasformare: ( ) s = S(t) exp [-i( t + )] dt 4

Segnale NMR, spettro NMR FT FT 5

Segnale NMR, spettro NMR FT B ( 1 H ) B ( 1 H ) a causa delle interazioni microscopiche con altri nuclei / elettroni 6

Localizzazione spaziale: frequency encoding (r) = B(r) La relazione di cui sopra suggerisce che è possibile etichettare deliberatamente con una diversa frequenza di precessione, attraverso una conveniente variazione spaziale di B all interno del campione, spin localizzati in diverse posizioni. variazione spaziale di B GRADIENTE G = B = ( B/ x, B/ y, B/ z) z z z y B(r) B(r) y B(r) y x x X gradient Y gradient Z gradient x 7

Localizzazione spaziale: frequency encoding Le tecniche tradizionali di Imaging a Risonanza Magnetica si basano sull utilizzo di gradienti costanti, aventi cioè lo stesso valore in una definita regione spaziale (dove si posiziona il campione). (r) = (B 0 + G r) (r) = G r (R) = G R R con G R = intensità del gradiente di Read R = posizione del nucleo lungo la direzione del grad. di Read s (,t) = s (G R,R,t) = s exp [i( G R R t + )] (in un sistema rotante @ = B 0 ) (frequenza di precessione crescente da sx a dx) R 8

Localizzazione spaziale: frequency en(/de)-coding Il segnale NMR, acquisito in presenza di gradiente G R (di Read), sarà la somma dei contributi provenienti dai vari spin dislocati lungo R: S(t, G R ) = ( ) s(,t) d = (R) s exp [i( G R R t + )] dr In altre parole S(t, G R ) è la FT della distribuzione di magnetizzazione nucleare lungo R. Per dedurre tale profilo (o immagine 1D) dal dato sperimentale S(t) basta (anti-)trasformare: (R) s = S (t) exp [-i( G R R t + )] dt 9

Localizzazione spaziale: frequency en(/de)-coding Imaging 1D di due capillari B=0 B 0 MR signal encoding MR signal decoding 10

Localizzazione spaziale: phase encoding Esiste la possibilità di etichettare gli spin in funzione della loro posizione spaziale con tecniche alternative al frequency encoding? s = s exp [i( t + )] La legge della precessione contiene il termine di fase, all interno del quale può essere inglobata un ulteriore informazione spaziale. s( (r)) = s exp [i( t + (r))] La fase è l angolo a cui si trova lo spin nel momento in cui inizia l acquisizione. Questo angolo può essere deliberatamente influenzato tramite l applicazione di un gradiente G P (di fase o pre-acquisizione). P (r) = (r) t = G r t (P) = G P P s ( ) = s (G P, P, t ) = s exp [i ( t + G P P t )] 11

Localizzazione spaziale: phase encoding Quindi il segnale NMR raccolto ad un determinato istante t, dopo aver lasciato agire un gradiente di fase (pre-acquisizione) G P, sarà: S(t, G P ) = ( ) s( ) d = (P) s exp [i ( t + G P P t )] dp Questa volta S(t, G P ) può essere interpretato come FT della distribuzione spaziale degli spin lungo la direzione P. E quindi (P) può essere dedotta acquisendo dati S(t, G P ) a t (o più comunemente G P ) variabile e (anti)-trasformando: (P) s = S (t, G P ) exp [-i( t + G P P t )] dg P 12

Imaging 2D: Read + Phase Encoding Come si ottengono immagini 2D (fette o proiezioni)? Mettendo tutto insieme! s (,t, ) = s (R,t, G P, P) = s exp [i (G R R t + G P P t )] P R 13

Lo spazio k Frequency e phase encoding sono tecniche che si realizzano sperimentalmente con procedure diverse (il frequency encoding prevede gradiente acceso durante l acquisizione, il phase encoding gradiente acceso prima dell acquisizione). Si osserva tuttavia una notevole analogia formale s (,t, ) = s (R,t, G P, P) = s exp [i (G R R t + G P P t )] che invoglia l introduzione di una variabile vettoriale k = (k R, k P ) in grado di omogeneizzare il linguaggio della codifica spaziale: s(k,r,p) = s exp [2 i (k R R + k P P) ] = s exp [2 i k r ] con k R = ( G R t) / 2 k P = ( G P t ) / 2 R P 14

Lo spazio k Lo spazio bidimensionale definito dai vettori K P e K R è detto spazio k bidimensionale e corrisponde allo spazio delle variabili di acquisizione dell esperimento MRI. Un esperimento MRI 2D tradizionale consiste nel definire una griglia cartesiana opportuna di vettori K P e K R e nel campionare il segnale S(k) per ogni valore di K così definito. L immagine (nello spazio reale r definito da R e P) si ottiene come 2D-FT di S(k): (r) s = S (k) exp [-2 i k r ] dk 15

Spazio k, spazio reale FT DFT P K P.............. K R R Parametri di acquisizione k = 1 / RESOLUTION estremi spazio k K = 1/ FOV intervallo di campionamento MATRIX SIZE (k) = MATRIX SIZE Parametri caratteristici dell immagine FOV = dimensione immagine (e.g. 40cm x 40cm) MATRIX SIZE = numero di punti che definiscono l immagine (e.g. 128 x 128) RESOLUTION = FOV/MATRIX SIZE 16

Spazio k, spazio reale K P Sebbene sia possibile procedere diversamente (metodi PFT et al.), la modalità di campionamento più efficiente in MRI prevede l acquisizione di punti tra K R k RM = ( G R t M ) / 2 k PM = ( G PM t ) / 2 e - k RM e - k PM DFT P R La codifica spaziale viene normalmente effettuata in modo che l origine degli assi R e P (punto centrale del FOV) coincida con l isocentro dei gradienti. Quindi il FOV si estende da R M a +R M e da P M a +P M 17

Spazio k e tempi negativi Poiché la variabile effettiva di acquisizione in read direction è il tempo t, il campionamento di k negativi implica l acquisizione del segnale a t negativi istanti della precessione precedenti al massimo allineamento degli spin TECNICHE di ECHO (e.g gradient echo). RF Gradiente di lettura Gradiente di fase 18

A spasso per lo spazio k Esempio: campionamento cartesiano lineare tramite gradient echo - 1 RF Gradiente di lettura Gradiente di fase K P. K R 19

A spasso per lo spazio k Esempio: campionamento cartesiano lineare tramite gradient echo - 2 RF Gradiente di lettura Gradiente di fase K P.. K R 20

A spasso per lo spazio k Esempio: campionamento cartesiano lineare tramite gradient echo - 3 RF Gradiente di lettura Gradiente di fase E così via fino a campionare tutto lo spazio k 2D-FT K P... K R 21

Risoluzione spaziale Come si sceglie la risoluzione spaziale (dimensione del pixel R x P)? Fissando il FOV e la MATRIX SIZE! Come si sceglie oculatamente la risoluzione spaziale? READ (pixel) = (2 ) -1 G R R > (larghezza intrinseca di riga) Qualche numero ragionevole: larghezza di riga 200 Hz R = 2 (pixel)/ G R Con G R = 50 Gauss/cm ( = 500 mt/m) R > 10 m ( -Imaging) Con G R = 2.5 Gauss/cm ( = 25 mt/m) R > 200 m (Human MRI) In Paravision si sceglie SW = (pixel) x MATRIX SIZE (R) differenza di frequenza di risonanza tra due spin ai bordi opposti del FOV SW tipiche -Imaging 50 200 khz NB: pixel piccoli pochi spin bassa sensibilità per pixel!! considerazioni analoghe per la PHASE 22

Risoluzione spaziale e durata dell esperimento MRI Come visto precedentemente la risoluzione spaziale viene fissata in base a proprietà intrinseche del campione (larghezza di riga e sensibilità per unità di volume). Si deve inoltre tener conto del tempo a disposizione! Si definisce TR (tempo di ripetizione) il tempo che intercorre tra due eccitazioni successive della magnetizzazione di equilibrio. Si definisce, solo qui, DPP (dimensione del pacchetto di fase) il numero di phase encoding steps all interno dello stesso TR. ll tempo di acquisizione di un immagine 2D sarà quindi: Exp.Time = MATRIX SIZE (P) x TR / DPP 23

Slice Selection Come si ottiene l immagine 2D di una fetta del campione? L applicazione di un gradiente G S nella direzione ortogonale al piano dell immagine crea una distribuzione di frequenze di risonanza: (S) = G S S di conseguenza si può selezionare una fetta di spessore S in posizione S 0 irraggiando solo la corrispondente banda di frequenze: S S = / G S S off = off / G S off S off S S 24

Slice Selection Come si può irraggiare solo una pre-determinata banda di frequenze? off FT 0 t Time off off + 1/t Frequency off FT Fo t Impulso sagomato (i.e. sinc3 = sin(x) /x troncato a 3 lobi) =1/t 25

Slice Selection Esempio: sequenza Gradient Echo 2D con Slice selection: RF Slice selection! Gradiente di slice Riavvolgimento Gradiente di lettura Gradiente di fase 26

Slice Selection Come si cambia lo spessore della fetta? Cambiando gradiente di slice (scelta attuata da Paravision) Modificando la durata dell impulso (attuabile manualmente) S S (Nuova fetta) 27

Slice Selection Come si sposta la fetta? Cambiando l offset di irraggiamento off (Nuova fetta) S off off S Poiché gli spin che non risuonano nell intervallo selezionato restano all equilibrio, è possibile all interno dello stesso TR irraggiare più fette (Sequenze Multislice). 28

Imaging 3D e tecniche di solo phase encoding Si noti che, in generale, poiché il tempo t che determina la fase di un determinato spin non coincide con il tempo di campionamento del segnale (t), la tecnica del phase encoding permette di codificare più di una dimensione spaziale e di implementare quindi: Tecniche di Imaging 3D (l immagine si ottiene con 3D-FT) s = s exp [i (G R R t + G P P t + G P2 P 2 t )] s = s exp [2 i (k R R + k P P + k P2 P2 ) ] = s exp [2 i k r ] Tecniche di imaging senza freq. encoding (CSI, SPI, ) s = s exp [i (G P0 P 0 t + G P P t + G P2 P 2 t )] s = s exp [2 i (k P0 P 0 + k P P + k P2 P 2 ) ] = s exp [2 i k r ] e i tempi?? 29

Imaging 3D Esempio: Gradient Echo 3D RF Gradiente di lettura 1 Gradiente di fase 2 Gradiente di fase 30

Overview B 0 E MR-Imaging E 0 E = Risonanza/Spettroscopia + T 1, T 2, T 2 *, D, v,, Contrasto Codifica Spaziale + 31