MR hårdvara -alla dessa delar

(1)

MR hårdvara

-alla dessa delar

(2)

Inehåll

 Introduktion – vad behövs för att producera MR-bilder?

 Historia

 Hårdvara:

 Magnet

 Gradienter

 RF-system

 Övrig elektronik

 Installation / faciliteter

 Nya koncept

(3)

MR- en metod med många möjligheter

(4)

Vad behövs för att producera MR-bilder?

Statiskt magnetfält, magnet (B₀)

• Nödvändigt för att ge upphov till nettomagnetisering i vävnaden

RF-system (radiovågor, B1)

• Excitation av magnetiseringsvektorn

• Signal från protoner samlas upp av antenner (spolelement)

Gradientsystem (Gxyz)

• För spatiell lokalisering av signalen Datorsystem

+

(5)

Undersökningsrum Teknikrum Kontrollrum

-Reception, väntrum, ombytesrum,

Schematisk översikt MR-lokaler

MR-kamera Patientbord

Injektionspump Anestesi/patientövervakning

Forskningsutrustning

Spolar, fixering, övrigt Vågfälla, filterplatta mm

Vågfälla, filterplatta

Förstärkare, styrdator,

rekonstruktionsdator, kylsystem mm

Arbetsyta

Kamera

Arbetsstation

(6)

x-gradient y-gradient z-gradient

T/R- växlare

RF-sändare RF-mottagare Magnet

Magnetisk skärmning RF-bur

Patientbord

Schematisk översikt MR-system

(7)

MR historia

Raymond Damadians ”apparatus and method for detecting cancer in tissue”. US patent

3.789.832 filed 17 march 1972

Gradienter → Första MR-bilden ”MR zeugmatogram” 1973

(water in test tube)

P.C. Lauterbur, Nature, 242:190-191, 1973

(8)

MR historia

Nobelpris bildgivande MR:

”Upptäckter rörande avbildning med magnetresonans”

Sir Peter Mansfield (fysiker) och Paul C. Lauterbur (kemist)

Raymond Damadian

(9)

MR under 80-talet

”Magneternas årtionde”

Då:

•

0.5 - 1.5 T

•

Långa magneter

•

Passivt skärmade (stål)

•

Förbrukade mycket helium (He)

Idag:

•

1,5 - 11,75 T helkroppsmagneter, upp till 7T för kiniskt bruk

•

Korta magneter, wide bore

•

Aktivt skärmade, minskar behovet

(10)

•

Mindre problem med klaustrofobi

•

Större patienter

•

Underlättar för interventionell MR

•

Extra utrymme för strålförberedande MR

•

Extra utrymme för PET-insats

Wide bore ger extra utrymme

(11)

MR under 90-talet

Gradienternas årtionde, fokus: snabbare!

Då:Styrka: 3mT/m Slew rate: 3T/m/s

Idag:

Styrka: ≤80 mT/m (300) Slew rate: ≤ 220 T/m/s

Maximala gradientstyrkan för traditionella (linjära) gradienter med avseende

(12)

MR på 2000-talet

RF-teknologins årtionde, fokus: spolar och parallel imaging Då:

1-4 kanaler

Låg spoldensitet (få spolelement)

Spolkombinationer oftast inte möjligt

Idag:

Flerkanalsystem (≤128) Hög spoldensitet

(ex 64-kanalig skallspole)

Flera olika spolar i kombination

(13)

MR hårdvara

• MR hårdvara

• Magneten

• Homogeneitet, olika typer, shim, skärmning, quench

• Gradienter

• x/y/z, rise time, slew rate, linearitet, gradientförstärkare, eddy currents, skärmning

• RF-system

• Transmit Tx, Roterande B1-fält, RFPA, SAR

• Förstärkare Rx, ytspolar, phased arrays, för-förstärkare

• Tidig och framtida design

• Övrig elektronik

• Datorer, minne, bildprocessor, puls sek. kontroll, display, patientmonitoring, patientbord

• Lokaler & installation

(14)

Magnetens homogenitet

MR-systemet förutsätter ett linjärt förhållande mellan magnetisk fältstyrka (frekvens) och position:

Ett icke-homogent magnetfält orsakar bland annat

felpositionering av signalen →

f~B₀ f~B₀ f~B₀

B₀ B

z

B₀ B

𝜔 = 𝛾 ∙ 𝐵

₀

(15)

Magnetens homogenitet

•

Hög magnetisk homogenitet viktigt för bildkvaliteten

•

Mäts i ppm över DSV (Diameter Spherical Volume)

Ex. 2ppm över DSV 40cm vid 3T: Inga 2 punkter inom +/-20cm från isocenter skiljer mer än 2ppm i magnetisk fältstyrka → 3Tx(2/1000 000)=0,000006T

•

Exempel på applikationer som kräver hög homogenitet:

•

Fettsaturation

•

Off-center Imaging

•

Single-shot EPI

•

Hjärt-MR

•

MR-Spektroskopi

(16)

Olika typer av magneter

•

Permanentmagneter ≤ 0.35T Lågfält

•

Resistiv magnet med luftkärna ≤ 0.2T Lågfält

•

Elektromagnet med järnkärna ~ 0.6T)

•

Supraledande magneter > 1T Hög och ultrahög fältstyrka

(17)

Permanentmagneter

•

Magnetiska egenskaper induceras under tillverkningen

•

Inga kylmedier nödvändiga

•

B₀ ~ 0,2-0,35T

•

~10 ton

•

Låga driftkostnader

•

Permanent → Inte möjligt att stänga av

•

Homogenitet ~ 40 ppm över 36 cm DSV

(18)

Elektromagnet med luftkärna



Elektrisk ström genom spole skapar magnetfält



Ofta vattenkylda, kan behöva stängas ned för att uppnå termisk stabilitet



B0 ≤ 0,2 T



Homogenitet 50-200 ppm över 50 cm DSV



Höga driftkostnader

(19)

Elektromagnet med järnkärna



Elektrisk ström genom spole med järnkärna skapar magnetfält



B0 ~ 0,6 T



Homogenitet < 5 ppm över 20 cm DSV



Hög vikt på grund av järnkärnan

i

(20)

Supraledande magneter

•

Elektrisk ström genom supraledande spole (endast strömförbrukning vid upprampning)

•

Kyls med kryogen (flytande He)

•

Inget elektriskt motstånd vid 4.2 K

(-269ºC, absoluta nollpunkten: -273,15ºC)

•

B₀ ~ 1-11,75 T

•

Homogenitet < 5 ppm över 50 cm DSV

•

3 – 22 ton

•

Passiv skärmning kan behövas

(21)

Magnetisk fältstyrka - perspektiv

Jordmagnetiska fältet: 0,00003- 0,00006 T (50 μT)

Skyddar från solens strålning:

Magnetkamerans fält:

3.0T = 60 000 gånger starkare

(22)

Supraledande magnet

4-K

(23)

Kryosystem

•

Niobium-titanium (NbTi) ledningar supraledande vid 7.7K (-265.5ºC)

•

Kryostat kyler He för att hålla det flytande ∼4K

•

∼1200-2000 l He

•

Kylaggregat håller kryostaten kall

•

Moderna kryosystem - zero boil off

•

He är dyrt och sällsynt (på väg att ta slut?)

(24)

Låg-helium teknik

Låg-helium teknik: minskad vikt, quenchrör behövs inte

(enklare byggnadstekniskt)…

(25)

Shimming

Metod för att korrigera för inhomogeniteter

Passiv Shimming

Material med hög magnetisk permeabilitet placeras runt magneten vid uppstart (korrigerar för extern påverkan, tex byggnadsdetaljer)



Aktiv Shimming

Shimspolar där användaren kan anpassa strömmen för att finjustera

Fickor för passiv shimming runt gradientspolen

(26)

Shimming

(27)

Skärmning

Två sorters skärmning:

Passiv skärmning

 Järn upp till 800 ton (9.4T)

 Dyrt men ”enkelt”

Aktiv skärmning

 Motstående spolar för att motverka huvudmagnetfältet

 Underlättar ur MR-säkerhetsperspektiv (finns dock faror)

7T 400 ton skärmplåt

(28)

Quench

Quench = förlust av supraledande egenskaper

→ ökad resistans i ledningarna orsakar värme- utveckling, He förångas

(2000*800 liter He-gas = 1 600m3)

Vanliga orsaker

•

Upprampning av magnet

•

Is i kryostaten

•

He-nivån är för låg

•

säkerhet – fastklämd person eller brand

•

Avveckling

(29)

Ultra high field:

11.75 Tesla

60 ton 270 milj $

228 km ledningar 22cm FOV

(30)

MR hårdvara

• MR hårdvara

• Magneten

• Gradienter

• RF-system

(31)

X, Y, Z koordinatsystem

Riktning för Z huvudmagnetfältet

Upp-nerY

(32)

z-led

𝛿𝐵

₀

(33)

x-led

𝛿𝐵

₀

(34)

y-led

𝛿𝐵

₀

(35)

x, y, z - tillsammans

𝐺 = 𝐺 ² + 𝐺 ² + 𝐺 ²

(36)

Gradientpuls

Stigtid

Gradientstyrka(mT/m)

Falltid

”Normal” högprestanda: 50-80 mT/m vid 200-220 T/m/s

(37)

Gradientsystem

Moderna gradienter har:

•

Aktiv skärmning (mindre eddy currents)

•

Vattenkylning

•

Nära 100% duty cycle

•

Fixerad med epoxyplast

•

Fack för passiv shimming

•

Integrerade shimspolar

(38)

Ljudnivå

Starka strömmar i spole i magnetfält → Lorentzkraft

•

Mekanisk vibration i gradientspolen

•

Ljudnivå 93 - 120 dB(A) ”normalt” för kliniska system

•

Hörselskydd nödvändigt

•

Arbete med att göra MR tystare sker på både sekvens- och hårdvarusidan

Ex. quiet suite ≤ 64 dB(A) (tal 65 dB(A))

(39)

Olinjära gradienter

MR-systemet förutsätter ett linjärt förhållande mellan magnetisk fältstyrka (frekvens) och position:

En icke-linjär gradient orsakar bland annat felpositionering av snitt

B₀

f~B₀-∆B f~B₀ f~B₀+∆B B

z

B₀ B

𝜔 = 𝛾 ∙ 𝐵

₀

(40)

Olinjära gradienter

Styrka Gfaktisk

Gideal

Position

(41)

Olinjära gradienter

(42)

Eddy currents och gradient-pulsform

a) Utan eddy current-kompensation b) med eddy-current-kompensation Applied field

Actual field

Elektriska strömmas induceras I ledare på grund av det varierande magnetfältet (Faradays lag)

(43)

MR hårdvara

• MR hårdvara

• Magneten

• Gradienter

• RF-system

(44)

AM radio

0.6-1.6 MHz FM radio

88-108 MHzMobiltelefon 0.9-2.4 GHz

Synligt ljus 700-440 nm

Röntgen

~1 Å PET

<0.1 Å

~100 MHzMR

MRI arbetar vid samma frekvenser som FM-bandet (radio)

RF-system

(45)

y’

B₀

M₀ z’

RF-system

Vi vill att vävnaden (magnetiseringen) ska absorbera...

...och emittera em energi

y B₀

M_xy z

FID = free induction decay

(46)

Sändarspole Tx

•

Kroppsspolen används som homogen B1 sändare

•

Kvadratur Tx - låg SAR (Specific Absorption Rate)

(47)

Mottagarspole Rx

•

Kroppsspole eller ytspole

•

Ytspolar ger högre SNR

•

Ytspolar kan använda flera kanaler → snabbare bildinsamling

(48)

Håll spolen nära signalen

(49)

Hög spoldensitet

•

64-kanals skallspole

•

32-kanals kroppspole

•

40-kanal kroppspole

•

128-kanal skall/kropp-spole

•

Inkopplat: 228, simultant FOV:128

➡

Högre SNR

➡

Högre accelerationsfaktorer (Parallel Imaging)

➡

Mindre distorsion

(50)

Nya spolkoncept

• Hårda spolelement ger tunga och oflexibla spolar

• Nya flexibla spolkoncept möjliggör filtliknande

lättviktsspolar, engångsspolar mm

(51)

Signalkoncept

Excitation: Cirkulärpolarisering

Signalinsamling: Kvadraturdetektering

(52)

Cirkulärpolarisation

Linjärpolarisering:

hälften av energin går till B1, resterande

deponeras som värme i vävnaden (SAR)

Cirkulärpolarisering (kvadratur): 90º varierande fas →

(53)

Kvadraturdetektion

Efter excitation är hela signalkomponenten i fas

Utläsningsgradienten skapar urfasning av

signalen. Mottagarspolen kan bara mäta

absolutbelopp → signalförlust

Lösning : Kvadraturdetektion Genomförs i praktiken

elektroniskt vilket medför en komplex signal

(54)

MultiTransmit RF

• Snabbare

• Högre B1- homogenitet

• Zoom

• Mindre problem med rörelse- och

flödesartefakter

• Mer exakt

• Mindre distorsion

• Högre upplösning

• Bättre bildkvalitet

(55)

MR hårdvara

• MR hårdvara

• Magneten

• Gradienter

• RF-system

(56)

Övrig elektronik

•

Värddator

•

Datalagring

•

Skärm och tangentbord

•

Stereo

•

Patientövervakning (EKG, puls, respiration)

•

Quenchknapp mm

•

Electricitet på/av

•

Patientbord

(57)

MR hårdvara

• MR hårdvara

• Magneten

• Gradienter

• RF-system

• Datorer, minne, bildprocessor, pulse sek. kontroll, display, patientmonitoring, patientbord

(58)

Installation - minimum 30-40 m

²

 Today very compact!

(wardrobe instead of dedicated room)

(59)

MR-lokaler

rekonstruktionsdator, kylsystem mm

Arbetsyta

Kamera

Arbetsstation

(60)

Teknikrum

• RF-penetrationsfilter

• Gradientförstärkare

• Gradient-vågformsgeneratorer

• RF-förstärkare RFPA

• RF-sändare

• Pulssekvenskontroll

• Flerkanalsmottagare

• Synthesizer, master clock

• Bildprocessor

• kompressor (kryokylare)

(61)

Begränsar in/ut-passage av RF

•

RF-bur tillverkas vanligen av kopparplåt samt fönster med finmaskigt tvärställt metallnät, kopparlameller runt dörrar

Genomfart för

•

Kablar

•

Elektricitet

•

Ventilation

•

Kryorör (quench pipe)

•

Gas via

Faradaybur / RF-bur

(62)

MR hårdvara

• MR hårdvara

• Magneten

• Gradienter

• RF-system

• Datorer, minne, bildprocessor, pulse sek. kontroll, display, patientmonitoring, patientbord

(63)

MR - Strålterapi

Skalle:

• Flexibla spolar

Buk:

•

Flexibel kroppspole med distans

(64)

Hybrid system: MR/Linac

Linac = linjäraccelerator för strålbehandling MR-ledd strålbehandling

MR-bilder för planering med mjukdelskontrast

(65)

Hybrid system: MR/Linac

(66)

Siemens mMR integrated solution RSNA 2010

Philips PET/MR combo sequential solution

– RSNA 2010 GE PET/MR (Karolisnka)

MR-PET

(67)

Integrerad helkropps MR-PET

•

Integrerad detektor mellan gradientspole och RF-spole

•

Wide-bore magnet men 60 cm tunnel pga

detektor

•

Simultan MR-PET insamling

PET-ring

(68)

Hybrid system: MR/HIFU

HIFU = high-intensity focused ultrasound Värmebehandling av vävnad

Prostatacancer, neurokirurgi…

Finns på Karolinska Huddinge

(69)

Kan du identifiera komponenterna?

X gradient- förstärkare Y gradient- förstärkare Z gradient- förstärkare

Vågforms generator

RF-förstärkare

RF elektronik

Shim-kontroll ADC

Bildprocessor CPU

Magnet

Gradientspole

RF-spole

(70)

Schematisk översikt MR-lokaler igen

rekonstruktionsdator, kylsystem mm

Arbetsyta

Kamera

Arbetsstation

(71)

Olika sorters elektromagneter

Statiska: huvudmagnet, skärmning Dynamiska: gradienter, shim

Antenner

Skicka och ta emot signal

Datorer

Tajming av signaler till magneterna/RF samt bildprocessering

Förstärkare

RF och gradienter

Kylsystem Arbetsstation

användare

Schematisk översikt MR-lokaler igen…

(72)

Frågor?