(C) Jukka Jauhiainen 2001

MRI-perusteet, OSA 2 Kuvauslaite

Jukka Jauhiainen

Oulun seudun ammattikorkeakoulu

Tekniikan yksikkö

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Magneettikuvauslaitte kaavakuvana

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Laitteiden jaottelu

• Matalakenttä/korkeakenttälaitteet– Matalakenttä B0 < 1,0 T

– Korkeakenttä B0 > 1,0 T

– Suurimmat kentät 3 T

• Suljetut/avoimet– Suljetut yleensä korkeakenttälaitteita– Avoimia käytetään lähinnä interventioissa

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Korkeakenttälaite

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Avomagneetti (Picker Proview)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Periaatteellinen rakenne ja B0-kentän suunta

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Magneettivuon tiheys

• Magneettikentän kenttäviivat ovat suljettuja ympyröitä.

• Kenttäviivojen suunta on etelänavalta (S) pohjoisnavalle (N)

• Magneettivuon tiheys kuvaa sitä, kuinka paljon kenttäviivoja kulkee tietyn pinnan läpi, yksikkö Tesla (T)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Suljetun laitteen ominaisuuksia

• Homogeeninen magneettikenttä

• Päästään suurempiin kenttävoimakkuuksiin

• Mahdollistaa nopean kuvantamisen (EPI)

• Edistykselliset kuvausmenetelmät– MRA, fMRI, DWI, PWI, MRS

• Potilas ”piilossa” putkessa

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Avomagneetin ominaisuuksia• Matala kenttävoimakkuus

• Epähomogeenisempi kenttä

• Huonompi kuvanlaatu

• Rasvasuppressio vaikeaa (pieni kemiallinen siirtymä)

• Soveltuu lapsille ja klaustrofobisille

• Mahdollistaa pääsyn potilaaseen kuvauksen aikana (leikkaukset, interventiot)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

B0-kenttä voidaan tehdä kolmella menetelmällä

• Kestomagneetit

• Resistiiviset sähkömagneetit

• Suprajohtavat sähkömagneetit

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Kestomagneetit

• Muodostuu useasta kerroksesta ferromagneettisia lohkoja

• Valmis komponentti magnetisoidaan käyttäen voimakasta sähkömagneettia

• Kentän voimakkuus max. 0,3 T

• ERITTÄIN paivava (7 - 12 tn)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Kestomagneetin edut ja haitat

• Etuja– Alhaiset tuotanto- ja käyttökustannukset– Pieni hajakenttä

• Haittoja– Matalakenttälaite– Erittäin painava

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Resistiiviset sähkömagneetit• Muodostuvat useista johdinkeloista eli

käämeistä

• Joko rauta- tai ilmasydämisiä

• Rautasydämellä saadaan vahvistettua ja suunnattua B0-kenttää

• Ilmasydämiset keveitä, mutta kentän ylläpito vaatii enemmän energiaa

• Kentän voimakkuus max. 0,2 T

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Rautasydämisen etuja ja haittoja

• Etuja

– Alhaiset tuotantokustannukset

– Helppo kelojen huolto

– Pieni hajakenttä

– Voidaan kytkeä pois päältä

• Haittoja

– Suuri energian kulutus

– Tarvitsee vesijäähdytyksen

– Kenttä saattaa olla epästabiili

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Ilmasydämisen etuja ja haittoja

• Etuja– Alhaiset tuotantokustannukset– Helppo kelojen huolto– Voidaan kytkeä pois päältä

• Haittoja– Suuri hajakenttä– Suuri energian kulutus– Tarvitsee vesijäähdytyksen

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Suprajohtavat sähkömagneetit

• Kaikissa korkeakenttälaitteissa

• Kentän muodostaa johdinkeloissa kulkeva virta

• Kelat valmistettu niobi-titaani-seoksesta, joka muuttuu suprajohtavaksi alle 9,5 K:n lämpötiloissa

• Suprajohteessa sähkövirta kulkee ilman sähkövastusta

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Suprajohtavat magneetit II

• Kelojen ympärillä on nestemäistä heliumia, joka pitää lämpötilan riittävän alhaalla

• Kerran keloihin ajettu virta kiertää siellä käytännössä ”ikuisesti” ilman että sinne tarvitsee syöttää lisää virtaa.

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Etuja ja haittoja• Etuja

– Korkea kenttävoimakkuus

– Hyvä kentän homogeenisuus

– Pieni tehonkulutus

– Hyvä signaali-kohinasuhde

– Nopeus

• Haittoja– Korkeat valmistuskustannukset

– Jäähdytys vaivalloista

– Tietyt kuvausvirheet korostuvat korkeassa kentässä

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Shimmaus

• Operaatio, jolla parannetaan magneettikentän homogeenisuutta

• Oltava < 5 ppm

• Passiivinen

– Kenttä muokataan sopivasti sijoitetuilla raudanpalasilla

• Aktiivinen– Putkessa on joukko (esim. 30) ns. shimmauskeloja.

– Tietokone säätää automaattisesti niiden virtaa kuvauksen aikana

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Gradienttikelat

• Kuvan paikkakoodaaminen vaatii, että jokaisessa kuvan vokselissa on hieman eri kenttä

• Muutokset staattiseen B0-kenttään tehdään gradienttikelojen avulla.

• Ominaisuuksia

– Lineaarisuus,

– Jyrkkyys (mT/m)

– Nousuaika eli slew rate (mT/m/ms)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Gradienttikentän synnyttäminen

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Todellinen x-gradienttikela

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Pyörrevirrat

• Muuttuva magneettikenttä indusoi johteeseen muutosta vastustavan virran

• Gradienttikentät aiheuttavat myös potilaan sisälle sähkövirran !

• Kuvaustilanteessa on varmistettava, ettei kelojen johtoihin synny silmukoita

• Kaikki metalliesineet poistettava potilaalta

• Potilasta, jolla on metallia elimistössään EI SAA KUVATA !

(C) Jukka Jauhiainen 2001

B1-kenttä

• B1-kentällä tehdään protonien viritys

• Kenttä värähtelee protonien resonanssitaajuudella, joka riippuu kenttävoimakkuudesta (9 - 85 MHz)

• Osat– RF-lähetin– RF-vastaanotin– Kuvauskelat

(C) Jukka Jauhiainen 2001

RF-lähetin

• Taajuusgeneraattori, jonka taajuutta voidaan säätää resonanssitaajuuden ympärillä

• Nykyään käytetään digitaalista taajuussynteesiä• Resonanssitaajuinen signaali moduloidaan sinc-

funktiolla• Moduloitu signaali viedään RF-tehovahvistimelle• Sieltä edelleen RF-lähetyskelalle

(C) Jukka Jauhiainen 2001

RF-vastaanotin

• Mittaa magnetoitumavektorin indusoimaa virtaa vastaanotinkelassa

• Vastaanotettu RF-teho on noin yksi miljardisosa lähetystehosta !

• Vastaanotin- ja lähetinkelat voivat olla rakennettu samaan kelaan (pääkela) tai ne voivat olla erillisiä (pintakela)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

RF-vastaanotin

RF-kela

Esivahvistin

Suodatus ja demodulointi

Näytteistys digitaaliseksi

Talletus tietokoneen muistiin

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Vastaanotinkelat

• Kerää varsinaisen MR-signaalin kohteesta !

• Käytännön työssä magneettihoitaja valitsee kuvauskohteen mukaan sopivan vastaanotinkelan

• AINOA tässä esitelmässä esille tuleva värkki, jonka toiminta on todella hyödyllistä ymmärtää :)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Vartalokela (body coil)

• Käytetään lähinnä kohteen paikannuskuvaukseen (localizer)

• Laaja kuva-ala

• Huono signaali-kohinasuhde

• Rakennettu laitteen sisään, ei näy ulospäin

• Pystyy sekä lähettämään että vastaanottamaan

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Pintakela (surface coil)

• Yksinkertaisimmillaan pelkkä virtasilmukka

• Voi olla käännetty satulan muotoon– Polvi- ja olkapääkelat

• Asetetaan kuvattavan kohteen päälle

• Herkkyys pienenee nopeasti kun etäisyys kohteen pinnalta kasvaa

• Ainoastaan vastaanotto (lähettimenä esim. vartalokela)

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Polvikelan asettelu

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Tilavuuskelat (volume coils)

• Kerää signaalin tilavuudesta, joka jää useamman kelan sisäpuolelle

• Ehdottomasti yleisin on pääkela

• Sekä lähetys että vastaanotto

• Erinomainen signaali-kohinasuhde

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Pääkela ...

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Signaali-kohinasuhde

• Yleinen periaate: Signaali-kohinasuhde on sitä parempi, mitä pienempi on vastaanotinkelan pinta-ala

• Pienet pintakelat tuottavat parhaan signaalin, mutta vain hyvin rajalliselta alueelta.

• Isot kelat keräävät laajemmalta alueelta kohinaisempaa kamaa

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Phased-array-kelat

• Ideana on liittää yhteen monta pientä pintakelaa

• Voidaan kerätä laajalta alueelta voimakas signaali !

• Kunkin erillisen kelan keräämä signaali viedään erillisiin RF-vastaanotinkanaviin

• Kanavien signaalit yhdistetään tietokoneella yhdeksi kuvaksi

• Tyypillinen sovellus on selkäkela

• Ei (yleensä) voida käyttää EPI:n kanssa

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Phased-array kela

(C) Jukka Jauhiainen 2001

Kuvauksen valmistelu

• Kun potilas on putkessa ja oikea kela valittuna, magneettihoitaja käynnistää varsinaisen kuvauksen

• PRESCAN säätää mm.

– Resonanssitaajuuden kohdalleen

– RF-lähettimen lähetystehon

– RF-vastaanottimen vahvistuksen

– Aktiivinen shimmaus (”autoshim”)• Nyt ollaankin valmiita aloittamaan itse kuvaus...