Wydział Imię i nazwisko Rok Grupa Zespół Metody Rezonansowe WFiIS AGH Data wykonania Data oddania Zwrot do popr. Obrazowanie MR Data oddania Data zaliczenia OCENA Cel ćwiczenia Zapoznanie z obsługą systemu Cirrus Open 0.2T, jako praktyczne wprowadzenie do systemów MR pracujących w placówkach medycznych. Student po wykonaniu ćwiczenia (do pewnego stopnia samodzielnie) będzie w stanie na podstawie eksperymentów wnioskować o wpływie podstawowych parametry sekwencji spin echo/gradient echo na jakość i kontrast obrazów MR, w szczególności być w stanie wykonać obrazowanie gęstości protonowej, T1 i T2 zależne, jak również znać i umieć kontrolować parametry wpływające na SNR obrazu MR. Ćwiczenie stanowi także wprowadzenie do techniki relaksometrii MRI. Zagadnienia kontrolne Ocena i podpis 1. Warunek rezonansu magnetycznego i metodyka obrazowania MR, w szczególności po co są i jak działają gradienty pola. 2. Podstawowe sekwencje obrazowania MR: SE i GE. 3. Zasady kontrastowania przy pomocy czasów relaksacji: obrazy ważone czasami T1, T2 oraz gęstością protonową na przykładzie sekwencji SE/GE. 4. Czasowo-przestrzenna zdolność rozdzielcza obrazowania MR wyjaśnij jak należy rozumieć to pojęcie. 5. Rodzaje środków kontrastowych i zasada ich działania. Literatura (dostępna w j. angielskim) 1. Instrukcja obsługi systemu Cirrus Open 0.2T opisane są tam procedury przygotowania do obrazowania; Dostępna za pośrednictwem mojej strony internetowej pod adresem: 2. Opis sekwencji obrazowania: http://home.agh.edu.pl/~proniew/dydaktyka/laboratorium-omr http://www.iomonitoring.pro/mrsequences.htm 1
CZĘŚĆ I Przygotowanie do obrazowania Przed rozpoczęciem eksperymentu dotyczącego obrazowania przy pomocy systemu Cirrus Open 0.2T należy wykonać szereg czynności zapewniających odpowiednią pracę aparatury MR. Część ta wykonywana jest zawsze w systemach medycznych dostępnych komercyjnie, najczęściej jednak jest w dużym stopniu zautomatyzowana. Etapy przygotowania eksperymentu obrazowania MR są następujące: 1) Podłączyć wybraną cewkę RF do systemu. UWAGA: W zależności od planowanego zastosowania, komercyjne systemy posiadają szereg różnego typu cewek RF. Zwykle są one dostosowane do obrazowania konkretnej części ciała w z góry zadanym polu magnetycznym czyli nie umożliwiają ich przestrajania przez technika wykonującego badanie. System Cirrus Open 0.2T jest w chwili obecnej zaopatrzony w dwie cewki RF: - Head Coil dostosowaną do obrazowania głowy, bez możliwości przestrajania/dopasowania. - Powierzchniową/krótki solenoid posiada możliwość dostrajania częstotliwości rezonansowej oraz dopasowania cewki RF do impedancji odbiornika/nadajnika. W przypadku stosowania cewek RF, które posiadają możliwość przestrajania należy je dostroić do częstotliwości pracy (wyznaczonej w punkcie 4.) i dopasować do impedancji 50 Ohm prowadzący pokaże dostępne cewki RF, możliwości ich zestrajania i zastosowanie. 2) Umieścić cewkę RF w izocentrum magnesu oraz ustawić badaną próbkę. 3) Uruchomić zasilanie wzmacniacza gradientowego/rf. 4) Zestroić system MR. Po włączeniu oprogramowania GUI na komputerze należy wczytać sekwencję SF_Cal - zwykła bezgradientowa, jedno impulsowa sekwencja. Przy jej pomocy należy: - Sprawdzić i ewentualnie zestroić częstotliwość rezonansową (zanotować tą wartość). - W razie potrzeby i możliwości należy dostroić cewkę RF do aktualnej częstotliwości rezonansowej. - Po ustawieniu częstotliwości pracy wykonać szimowanie, które ma na celu poprawienie jednorodności pola w obrębie badanego obiektu, co powoduje zwężenie i wydłużenie linii rezonansowej. - Skalibrować impulsy 90 i 180 stopni, poprzez zmianę wzmocnienia kanału nadawczego (Tx), odbiorczego (Rx) oraz skalowania (Tx scaling) jeżeli zachodzi konieczność. Dla znanej cewki wartości Tx i Tx scaling są stałe i niezależne od badanej próbki (poza przypadkiem cewki RF pracującej w trybie powierzchniowym wówczas zmiana tych wartości przesuwa maksimum sygnału w głąb obiektu obrazowanego). Parametr Rx natomiast należy dopasować do obiektu i stosowanej grubości warstwy w taki sposób, aby sygnał z całej warstwy (tj. z wyłączonym gradientem kodowania fazy /PE off/) był w granicach 10-20 tysięcy zliczeń; ma to na celu uniknięcie saturacji sygnału. 2
CZĘŚĆ II Parametry sekwencji w praktyce jakość obrazów Systemy MR w praktyce klinicznej wykorzystują wiele różnych sekwencji obrazowania. Również system Cirrus Open posiada bogatą bibliotekę sekwencji, które umożliwiają m.in. obrazowanie dyfuzji. Każda z sekwencji, nawet podstawowa, jak Spin Echo (SE) czy Gradient Echo (GE), posiada szereg parametrów, które operator MR może modyfikować w obrębie pewnych narzuconych granic (które bardziej doświadczony operator często może dalej zmieniać ). Parametry te mają wymierny wpływ na uzyskiwane obrazy, w szczególności na jakość obrazów wyrażaną poprzez parametr stosunku sygnału do szumu (z ang. SNR). 1) Załadować sekwencję GE i przejść do edycji parametrów. 2) Wykonać akwizycję obrazów w płaszczyźnie poprzecznej (transverse) zmieniając parametry: a) grubość warstwy (5 mm vs. 10 mm), b) FOV (100x100 mm vs. 200x200 mm), c) readout/phase encode points (128 vs. 192), d) bandwidth (10kHz vs. 20kHz), e) averages (1 vs. 4). Wyeksportować obrazy do plików *.BMP i wraz z parametrami sekwencji (alternatywnie zanotować parametry sekwencji, powyższe + TR i TE) zapisać na własnym dysku USB do późniejszej analizy (jeżeli czas pozwoli, opracowanie można wykonać podczas ćwiczeń wykorzystując oprogramowanie Marevisi zainstalowane na konsoli operatora). W domu (lub podczas zajęć, jeżeli jest taka możliwość): 3) Na podstawie obrazów obliczyć uzyskany SNR według wzoru roboczego: mean signal ROI SNR= SD of noise - Meansignal ROI zaznaczyć obszar w obrębie fantomu o jednorodnym sygnale i podać średnią wartość sygnału, - SD of noise zaznaczyć obszar w obrębie szumów (poza obszarem fantomu) i odczytać wartość SD. W celu opracowania obrazów w domu proponowane jest darmowe narzędzie - program ImageJ. 4) W oparciu o wyznaczone wartości SNR dla kolejnych przypadków określić wpływ parametrów na jakość obrazów i sformułować sposoby na zwiększenie SNR, jednocześnie zwracając uwagę na wady każdej z metod. 3
CZĘŚĆ III Parametry sekwencji w praktyce kontrast W zastosowania medycznych wśród wielu parametrów sekwencji obrazowania istnieją dwa, które mają znaczący wpływ na uzyskiwany kontrast między różnymi tkankami czas repetycji (TR) oraz echa (TE). Poprzez manipulację relacją między wartościami tych parametrów można uwydatnić różnice w kontraście tkanek o różnych czasach relaksacji T1 oraz T2, bądź też wykonać obrazowanie gęstości protonowej, innymi słowy zawartości wody w obiekcie obrazowanym. Największą zaletą obrazowania MR, w szczególności w kontekście obrazowania tkanek miękkich, jest właśnie naturalne kontrastowanie dzięki różnicom w czasach relaksacji poszczególnych tkanek. W celu pokazania możliwości zmiennego kontrastowania obrazu MR przy pomocy parametrów sekwencji przygotowano prosty fantom złożony z fiolek z różnym stężeniem CuSO4, związku, który skraca czas relaksacji T1. 1) Wczytać sekwencję SE i ustawić parametry (warstwa 5-10mm, FOV 100x100mm, 128x128 matrix). 2) Wykonać kilka obrazów ważonych czasami relaksacji T1, T2 i gęstością protonową zaobserwować zmiany na obrazie MR. 3) Wykonać obrazy przy stałym TE=20ms i zmiennym TR=50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200ms. 4) Wyeksportować obrazy do plików *.BMP i wraz z parametrami sekwencji (alternatywnie zanotować parametry sekwencji, powyższe + TR i TE) zapisać na własnym dysku USB do późniejszej analizy/załączenia do sprawozdania. 5) Na podstawie obrazów z pkt. 3. wyznaczyć czasy relaksacji T1 dla dowolnie wybranej fiolki. 6) Skomentować uzyskane obrazy i wyjaśnić zasadę, na której opiera się kontrastowanie przy pomocy czasów relaksacji T1 i T2 w medycynie. 4
CZĘŚĆ IV Relaksometria w obrazowaniu MR Pomiary czasów relaksacji zwykle wykonuje się poprzez umieszczenie małej próbki w spektrometrze MRJ. Jednak nie zawsze można lub nie zawsze istnieją przesłanki aby sobie pozwolić na pobranie małego fragmentu żeby przygotować z niego próbki dotyczy to szczególnie sytuacji obrazowania pacjentów w klinice. Z uwagi na istotne różnice w czasach relaksacji poszczególnych tkanek powstaje kontrast w obrazach MR. Zauważono, że zmiany nowotworowe w postaci guzów również charakteryzują się zmienionym czasem relaksacji w porównaniu do zdrowej tkanki. Z tego powodu zwrócono uwagę na możliwość pokazania obrazu MR w formie mapy czasów relaksacji, co może ułatwić odróżnienie tkanki zdrowej od zmienionej nowotworowo. W tej części eksperymentu celem jest wykonanie takiej mapy dla bardzo prostego fantomu: w butelce wypełnionej wodą z kranu zanurzono dwie fiolki wypełnione nieznanymi stężeniami CuSO4. Należy przeprowadzić obrazowanie wg procedury, która umożliwi prezentację czasów relaksacji. Jako źródło literaturowe dla tej części ćwiczenia proponuję zapoznanie się z artykułem: Fanea L., Sfrangeu S. Relaxation times mapping using magnetic resonance imaging. Romanian Reports in Physics (2011), Vol. 63, No. 2, P. 456 464 http://www.rrp.infim.ro/2011_63_2/art12fanea.pdf 5
CZĘŚĆ V Obrazowanie w praktyce Zaznajomienie się z techniką obrazowania magnetyczno-rezonansowego w poprzednich częściach ćwiczenia powinno wystarczyć do samodzielnego zaplanowania i wykonania eksperymentu. Niniejsza część daje dużą swobodę działania uczestnikom laboratoriów. Należy przygotować przed zajęciami obiekty, które będą obrazowane (mogą to być owoce, warzywa, pojemniki z płynami, własnoręcznie przygotowane fantomy, etc.), następnie określić cel obrazowania (co ma być widoczne na obrazie, jaka ma być jego jakość, czas akwizycji, kontrast), ustawić odpowiednie parametry sekwencji i na końcu skonfrontować uzyskane wyniki z postawionym sobie wcześniej celem. 6