Adquisición y reconstrucción de imágenes con resonancia magnética

Pablo IrarrázavalDirector

Centro de Imágenes BiomédicasPontificia Universidad Católica de Chile

Taller

Unidades1. Fundamentos de Resonancia Magnética.2. Repaso de la teoría del muestreo y análisis de

frecuencia.3. Estrategias de muestreo y reconstrucción en

RM

FUNDAMENTOS DE RESONANCIA MAGENÉTICA

Unidad 1

Tópicos• Imágenes médicas– Rayos X– Medicina Nuclear– Ultrasonido– MRI

• MRI hoy• Principios de MRI• Reconstrucción• Tendencias

Mirada histórica

Rayos X

Wilhelm Conrad RöntgenPremio Nobel 1901

Rayos X

Tubo Crookes, 8 Nov. 1895, Roentgen

Mano de Bera Roentgen, 22 Dic. 1895

Rayos X

Rayos X: Ondas Electromagnéticas

Semi-transparencia del cuerpo

Se usan longitudes de onda de0,5 A (25 kev) a 0,01 A (1 Mev)

Modalidades para imágenes médicas

Rayos X - Radiografías

Radiografía moderna

Rayos X: CAT

Diagrama de Hounsfield

Primer prototipo

Sir Godfrey Newbold HounsfieldPremio Nobel 1979

Modalidades para imágenes médicasRayos X - Tomografia axial computarizada (TAC o CT)

CT moderno

Mirada histórica

Medicina Nuclear

Medicina Nuclear

Glenn T. SeaborgPremio Nobel 1951

Medicina Nuclear

Georg von HeveseyPremio Nobel 1943Experimentó en plantas con radioisótopos

Ernest O. LawrencePremio Nobel 1939Inventó ciclotrón

Medicina Nuclear: Rayos Gama• Rayos Gama son ondas electromagnéticas

indistinguibles de los rayos X• Frecuencia: 25 a 1000 kev• Se producen en el núcleo del átomo

Modalidades para imágenes médicas

Medicina Nuclear (Rayos γ) - SPECT

SPECT

Modalidades para imágenes médicas

Medicina Nuclear (Rayos γ) - PET

PET

Mirada histórica

Ultrasonido

Ultrasonido

Jean-Daniel Colladen, 1826Velocidad del sonido en agua (1435 m/s)

Lazzaro Spallanzani, 1794Descubrió ultrasonido en murciélagos

Ultrasonido

Paul Langevinhidrofono: primer sonar práctico, 1915

Instrumentos Ultrasonido,Floyd Firestone, EEUUDonald Sproule, InglaterraAdolf Trost, Alemania

Ultrasonido: ondas de presión

Velocidad en agua: 1500 m/s (atenuación media)

Velocidad en aire: 340 m/s (atenuación alta)Velocidad en hueso: 2300 m/s (poca

atenuación)

Frecuencias: 1 a 20 MHz

Modalidades para imágenes médicas

Ultrasonido

Ultrasonido

Mirada histórica

MRI

Sobre los hombros de gigantes

"for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei"

Nobel 1944Isidor Isaac Rabi

"for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton"

Nobel 1943Otto Stern

Pictures: Nobelprizes.org

Sobre los hombros de gigantes

Felix Bloch

"for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith"

1952 Nobel Edward Mills Purcell

Pictures: Nobelprizes.org

Sobre los hombros de gigantes

"for his contributions to the development of the of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy"

1991 Nobel Richard R. Ernst

2002 Nobel Kurt Wüthrich

"for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution"

Pictures: Nobelprizes.org

Sobre los hombros de gigantes

Sir Peter Mansfield

"for their discoveries concerning magnetic resonance imaging"

2003 Nobel Paul C. Lauterbur

Pictures: Nobelprizes.org

Primera imagen, Lauterbur 1973

Resonador de Mallard 1974

University of Aberdeen(first spin-warp image)

Resonador e imagen de Damadian1974

MRI hoy

Siemens

Philips

General Electric

Imágenes neuronales

3T

Campos visuales extendidos

Mamas y abdomen

Cardíaca

FunctionAngiografía

Función• Espectroscopía

MRI

Principios

• La materia puede presentar la propiedad de magnetismo

• Un imán produce una magnetización (cada protón en el núcleo es como un pequeño imán)

• Átomos tienen una carga magnética intrínseca (núcleos)

• Átomo (cargado magnéticamente) girando = spin

Magnetismo

Frecuencia de Larmor• En presencia de un campo magnético B, un spin magnético

tiene una frecuencia de resonancia

hidrógeno = 42.58 MHz/T

es la frecuencia de Larmor (resonancia) y es proporcional al campo magnético B

es la frecuencia a la que un spin gira bajo la acción de un campo magnético B

Nuclii spin sensitivity 2z/T)1H 1/2 1.000 42.5813C 1/2 0.016 10.7119F 1/2 0.870 40.0531P 1/2 0.093 11.26

Picture: magnet.caltech.edu/mri/mri-100

Spins y momentos

Resumen de las etapas• Polarización (entrando en el magneto)• Excitación (radiación RF en el cuerpo)• Lectura (inducción en las bobinas, ecuación de

señal)• Reconstrucción (transformada de Fourier

inversa)

v01 55

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Polarización ReconstrucciónExcitación Lectura

Espacio-k Imagen

IFFT

Ecuación de Bloch

Ecuación de Bloch

Spins precess around B0 at the Larmor frequency:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t [s]

Mx

y

T2 = 100 ms

“spin-spin” relaxation T2

Ecuación de Bloch

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t [s]

Mz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t [s]

Mz

T1 = 200 ms

“spin-lattice” relaxation T1

Ecuación de Bloch

Magnetic gradients

Sin distorsiones en el campo

Ecuación de Bloch

Picture: Laboratoire Kastler Brossel

Ecuación de señal

Ignorando la relajación T2 y demodulando a 0

Ecuación de señal

Donde es la transformada de Fourier de

k-space

Tendencias en MRI

Tamaño y forma• Equipos más cortos

Tamaño y forma• Cerrados versus abiertos

Tamaño y forma• Grandes versus pequeños

Campo• Bajo versus alto campo

0.23 T 8 T

Function• functional MRI

Picture: HITlab

Function• Interventional MRI

Finalmente, Costo• For superconducting magnets (US dollars)

• Faster growing modality

0.5T 1T 1.5T 3T

Year 2000 600k 1200k 1800k

Year 2006 100k 800k 1100k 1800k