You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>CT</strong> a <strong>MR</strong> <strong>zobrazování</strong><br />
Martin Horák<br />
Radiodiagnostická klinika 1. LF UK<br />
FN Na Bulovce v Praze
<strong>CT</strong> – Computed<br />
Tomography<br />
• „výpočetní tomografie“<br />
• „počítané <strong>zobrazování</strong> v řezech“<br />
• Objekt je zobrazován (řezán) v transverzální rovině<br />
(axiální skeny).<br />
• Zobrazení částí pacienta v rovině kolmé na dlouhou osu<br />
těla.<br />
• Při naklopení gantry ±30° semikoronární rovina<br />
• Zobrazovací přístroj sloužící převážně k diagnostice<br />
• Využívá rentgenové záření k tvorbě obrazu (paprsky X)<br />
• Měří se úbytek záření při průchodu pacientem -<br />
absorbce<br />
2
<strong>CT</strong> – historie<br />
• G. Hounsfield a A. MacCormick<br />
– 60. léta vývoj<br />
– (Nobelova cena 1978)<br />
• 1. <strong>CT</strong> v r. 1971<br />
– Matrix 80x80 bodů<br />
– akvizice jednoho obrazu v minutách<br />
3
Generace <strong>CT</strong> přístrojů<br />
1. Translačně-rotační pohyb, 1 detektor<br />
2. Translačně-rotační pohyb, více detektorů<br />
3. Pouze rotační pohyb, sektor detektorů<br />
4. Rotující rentgenka a detektory po obvodu<br />
– x. EBG – electron beam gun – Imatron / GE<br />
5. Helikální vyšetřování – „slip ring“, 1 pás<br />
detektorů<br />
6. Multi-row detector <strong>CT</strong> (MD<strong>CT</strong>)<br />
• 2; 4; 6; 8; 10; 16; 40; 64; 256;<br />
• DS<strong>CT</strong> 2x64 – dvě lampy + dva detektorové<br />
pásy<br />
4
Výhody 6. (7.) generace <strong>CT</strong> (MD<strong>CT</strong>)<br />
• Velmi tenké řezy šíře 0,6 - 0,75mm<br />
• Na jeden sken 12-40mm tkáně<br />
• Velmi krátká akvizice 0,3s<br />
• Helikální vyšetření těla trvá – 6s - 15s<br />
• Výkonné keramické detektory<br />
• Nízká radiační zátěž<br />
• Výkonné počítače rekonstruují 6 obr./s<br />
• Matrix obrazu 512x512 bodů<br />
5
Standardizace RDG dat - DICOM<br />
• V 90. letech se sjednocuje platforma<br />
• DICOM – formát medicínského<br />
digitálního obrazu<br />
• Každá modalita umí DICOM<br />
• Každý DICOM obraz má jedinečnou<br />
identitu na světě<br />
• Každý pixel je určen 2 Bajty (16 bitů)<br />
6
Obraz<br />
• Mnohonásobnou projekcí bodu při měření<br />
absorbce ve tkáni se získávají hledané body –<br />
pixely<br />
• K výpočtu - Fourierovy transformace<br />
• Každá vrstva má svoji tloušťku měříme<br />
objemové body – voxely<br />
• Absorbce na <strong>CT</strong> – Denzita (HU)<br />
škála šedi 2 12 – 4096 odstínů<br />
– vzduch –1000HU<br />
– voda 0HU<br />
-1000 -100 0 +200 +1000 +3095HU<br />
vzduch tuk voda k.l. kost kov<br />
měkké tkáně<br />
7
Typy vyšetření na <strong>CT</strong><br />
: Sekvenční (krokové)<br />
– incrementální (mozek, páteř)<br />
– dynamické (perfuze)<br />
: Helikální (kontinuální, nesprávně spirální)<br />
(podstatně rychlejší – mírně nepřesné)<br />
data se sbírají šikmo<br />
8
Zobrazování na MD<strong>CT</strong><br />
• Náběr dat je v objemu – volná<br />
rekonstruovatelnost do různých šíří vrstev<br />
• Izotropní voxel – stejná velikost v ose z<br />
• Pro většinu vyšetření 3-5mm řezy stačí<br />
• Širší řezy vznikají sumací tenkých řezů z úzkých<br />
detektorů<br />
9
Kernel<br />
(filtr)<br />
• Nízké<br />
– měkké tkáně<br />
• Vysoké<br />
– kosti<br />
– HR<strong>CT</strong><br />
10
Postprocessing<br />
• Pracuje se s hotovými obrazy<br />
naskládanými do balíku dat – volum<br />
pacienta – DICOM<br />
• Ideální nejtenčí možné skeny 0,6-2mm<br />
v nízkých kernelech 10-20<br />
• Ideální překryv skenů 50%<br />
(rekonstrukční inkrement – 0,5)<br />
• Vysoké kernely – velmi stoupá šum<br />
– pouze u MPR rekonstrukcí kostí<br />
11
2D <strong>zobrazování</strong><br />
1. Axiální skeny<br />
– nejpřesnější<br />
– nejspolehlivější<br />
– bez zkreslení<br />
12
2. MPR – Multiplanární rekonstrukce<br />
• Jakákoliv jiná rovina než axiální počítaná ze za sebou<br />
jdoucích axiálních skenů (z volumu dat)<br />
13
3D <strong>zobrazování</strong><br />
Z volumu dat - podle limit denzit a úhlu pohledu se<br />
generuje obraz<br />
• SSD – shaded surface display – zobrazuje se povrch<br />
(již málo využívaný nahrazen VRTem)<br />
• VE – virtuální endoskopie – zobrazení průletu trubicí<br />
(céva, bronchus, střevo)<br />
• MIP – maximum intensity projection<br />
(nejjasnější bod se promítá na stínítko za objektem)<br />
14
4. VRT – volume rendering technique<br />
• Komplexní rekonstrukce – limity denzit a<br />
průhlednosti (intenzita barvy=denzita objektu)<br />
15
Postprocessing<br />
• subtrakce, ořezy, fúze<br />
• editace objektu - „vykostění“<br />
(filtrace rozsahu denzit ve volumu dat)<br />
16
<strong>MR</strong> diagnostika<br />
17
Historie <strong>MR</strong><br />
• 1873 rovnice popisující<br />
elektromagnetická pole (Maxwell)<br />
• 1887 radiové vlny (Hertz)<br />
• 1911 supravodivost (Onnes)<br />
• 1911-26 struktura atomu, kvantová teorie, jaderný<br />
magnetizmus (Rutherford, Bohr, Schroedinger, Pauli)<br />
• 1938 N<strong>MR</strong> experiment s proudem atomů Ag (Rabi)<br />
• 1946 N<strong>MR</strong> experiment s kapalinami a pevnými látkami<br />
(Bloch, Purcell)<br />
• 1973 <strong>MR</strong> zobrazení s použitím magnetických gradientů<br />
(Lauterbur)<br />
• 1976 <strong>MR</strong> tomogram lidského prstu<br />
(Mansfield, Maudsley)<br />
• 1977 <strong>MR</strong> tomogram lidského hrudníku (Damadian)<br />
• 1981 celotělový 1,5 T <strong>MR</strong> tomograf<br />
18
Co obsahuje <strong>MR</strong>?<br />
Statické magnetické pole<br />
Proměnná magnetická pole<br />
(magnetické gradienty – gradientní cívky)<br />
RF cívky<br />
Korekční (shim) cívky<br />
Ostatní součásti <strong>MR</strong> tomografu …<br />
19
Pohyby v homogenním mag. poli<br />
• rotace kolem osy<br />
– magnetizmus<br />
• precese – pohyb podél osy magnetizace<br />
s rychlostí = ω 0 (Larmorova<br />
frekvence)<br />
20
Statické magnetické pole<br />
• Pouze v silném homogenním magnetickém poli B 0<br />
– se rotační (magnetické) osy<br />
vodíkových jader uspořádají<br />
v jediném směru<br />
– vodíková jádra precedují<br />
Larmorova frekvence ω L = γ . B 0<br />
• Proč musí být pole homogenní?<br />
– aby všechna vodíková jádra precedovala se stejnou<br />
frekvencí<br />
pole B 0 = 1 Tesla ... ω L = 42,576 MHz<br />
21
Proč silné pole?<br />
• Zeměkoule má pouze 0,05mT<br />
• V silném poli narůstá podíl nadpočetných<br />
paralelně uspořádaných protonů (pouze<br />
ty je možno využít pro <strong>MR</strong> zobrazení)<br />
• Na 10 6 antiparalelních protonů připadá<br />
10 6 +6 paralelních protonů v 1T poli<br />
•<br />
↑ B0 , ↑ kvalita zobrazení<br />
( ↑ poměr signál/šum)<br />
–<br />
↑ B 0 , tepelné zatížení pacienta<br />
↑<br />
(SAR – mikrovlnná trouba)<br />
22
Proměnné magnetické<br />
pole<br />
• Magnetické gradienty G x,y,z - vkládáme do<br />
homogenního pole<br />
• Chtěná kontrolovaná nehomogenita pole<br />
– vodíková jádra precedují v různých částech těla s různou<br />
frekvencí a fází, tzn. Larmorova frekvence se u různých<br />
vodíkových jader liší podle jejich polohy ve vyšetřovaném<br />
objektu: L Larmorova armorova frekvence lokálně lokálně ωL = γ . [B 0+G<br />
– umožní nám to prostorově lokalizovat zdroj signálu<br />
+Gx, x, y, z ]<br />
23
RF cívky<br />
• Radiofrekvenční cívky fungují jako přijímač a/<br />
nebo vysílač RF signálu, tj.<br />
elektromagnetického vlnění o Larmorově<br />
frekvenci (≈ 10 1 MHz)<br />
• RF vlnění, jehož frekvence je shodná<br />
(„rezonuje“) s Larmorovou frekvencí<br />
(1T ... ω L= 42,576 MHz), dodá energii<br />
protonům, které ji následně (po skončení RF<br />
impulzu) zpětně vyzáří a dají nám tím<br />
informaci o struktuře zkoumané tkáně<br />
24
Typy RF cívek<br />
• Celotělové (body coil) ... vysílací a přijímací<br />
• Povrchové (surface coil) ... většinou přijímací<br />
– tím že jsou blíže vyšetřovanému objektu, dávají<br />
lepší signál<br />
– anatomicky přizpůsobené: hlavová, končetinová,<br />
ramenní, prsní, krční, ...<br />
• Vícesegmentové cívky (array coil) ... několik<br />
„malých“ cívek v jednom „balení“<br />
– velmi kvalitní signál i z rozsáhlých vyšetřovaných<br />
oblastí<br />
– umožňují použít paralelní akviziční techniky<br />
25
Struktura atomu<br />
Jádro -protony +<br />
-neutrony<br />
Obal -elektrony -<br />
<strong>MR</strong> aktivní jádra mají lichý počet částic<br />
v jádře<br />
H – 1, C – 13, N – 15, O – 17, F – 19, Na – 23, P – 31<br />
Chovají se jako slabý magnet<br />
nukleony<br />
27
<strong>MR</strong>I<br />
• Zobrazování využívá atomů vodíku - H,<br />
který je v lidském těle ve velmi hojném<br />
počtu a má osamělý proton s výrazným<br />
magnetickým polem resp. magnetickým<br />
momentem<br />
• Pokusy i s P<br />
28
Princip <strong>MR</strong>I<br />
• Vysíláme RF pulsy o Larmorově<br />
frekvenci do tkáně - excitujeme protony<br />
- dodáme jim energii<br />
• Poté sledujeme, jak ztrácejí dodanou<br />
energii, vracejí se do svého původního<br />
energetického stavu<br />
29
Po dodání impulzu – fázová koherence<br />
• radio-frekvenčním pulsem s frekvencí ω L<br />
sklopíme precesi o úhel α<br />
• na RF cívce se naměří příčná složka<br />
magnetizace M ┴ rezonance<br />
• v cívce se indukuje napětí s frekvencí ω L<br />
rezonance<br />
30
Charakter signálu na RF cívce<br />
• „Free induction decay“ (FID) - Relaxace<br />
– opětné rozfázování „spinů“ díky lokální<br />
nehomogenitě magnetického pole a vzájemné<br />
interakci spinů<br />
– příčná magnetizace klesá po hyperbole<br />
M ┴ > 0<br />
M ┴ = 0<br />
31
Shrnutí relaxačních dějů<br />
Příčná složka M ┴ 0<br />
T2 a T2* relaxační děj<br />
T2 bio-tkáně:<br />
80-200 ms<br />
Podélná složka M // M 0<br />
T1 relaxační děj<br />
T1 bio-tkáně:<br />
700-2000 ms<br />
M ┴<br />
M //<br />
T2*<br />
T2<br />
T1<br />
32
Základní typy tkání<br />
Voda - malé molekuly, elektrony atomů H<br />
přitahovány k atomu O, proton H méně<br />
stíněn, pomaleji předává získanou energii.<br />
Voda - dlouhý čas T1 i T2<br />
Tuk - velké molekuly, protony H více stíněny<br />
elektrony, rychle ztrácejí energii, rychleji se<br />
tedy vracejí do původního stavu.<br />
Tuk - krátký čas T1 i T2<br />
33
Porovnání relaxací<br />
T1 relaxace<br />
T2 relaxace<br />
34
Vážení obrazu<br />
T1 vážený obraz – signál závisí na času T1<br />
tkáně, čím kratší, tím vyšší intenzita signálu.<br />
Voda hyposignální.<br />
T2 vážený obraz – signál závisí na času T2<br />
tkáně, čím delší, tím vyšší intenzita signálu.<br />
Voda hypersignální.<br />
Protondenzitní (PD) obraz, nezávisí na T1 ani<br />
T2 času, pouze na množství protonů ve tkáni<br />
(jejich hustotě).<br />
35
Co ovlivňuje <strong>MR</strong> signál?<br />
• Protonová hustota<br />
(hustota jaderných spinů)<br />
• T1 relaxace<br />
(biochemické vazby tkáně)<br />
• T2 relaxace<br />
(biochemické vazby tkáně + vliv nativ. param. látek)<br />
• Proudění spinů (krev v cévách)<br />
• Difuze spinů<br />
(Brownův pohyb hlavně v extra-celulárním prostoru)<br />
• Perfuze spinů<br />
(mikrocirkulace v kapilárách)<br />
36
<strong>MR</strong> obraz – vhodná měřící sekvence<br />
1. Spin-echo<br />
2. Inversion-recovery<br />
• true IR<br />
• magnitude IR<br />
3. Gradientní echo<br />
• koherentní<br />
• nekoherentní<br />
37
Spin-echo (SE)<br />
• rozfázováním a znovu sfázováním příčné<br />
magnetizace<br />
90° 180° 90° 180°<br />
TE<br />
TR<br />
TE ... echo čas<br />
TR ... repetiční čas<br />
38
T1W<br />
Spin-echo shrnutí<br />
T1W<br />
TR krátké<br />
TE krátké<br />
PDW<br />
TR dlouhé<br />
TE krátké<br />
PDW T2W<br />
???<br />
TR krátké<br />
TE dlouhé<br />
T2W<br />
TR dlouhé<br />
TE dlouhé<br />
39
Inversion-recovery (IR)<br />
• předpřipravené SE<br />
180° 90° 180°<br />
TI<br />
TI ... inverzní čas<br />
40
Typy Inversion-recovery<br />
• (phase sensitive)<br />
“true” IR:<br />
• magnitude IR<br />
(absolutní hodnota):<br />
TI = 350 ms<br />
kladný signál<br />
je světlý<br />
0 je šedá<br />
záporný signál<br />
je tmavý<br />
kladný signál<br />
je světlý<br />
(zde téměř 0)<br />
0 je černá<br />
záporný signál<br />
je světlý<br />
41
Gradient-echo (GE)<br />
• obdoba SE s náklonem v úhlu=><br />
zkracuje se TR<br />
– koherentní<br />
– nekoherentní<br />
α α<br />
α<br />
TE<br />
TR<br />
TR, TE jako u SE<br />
α …sklápěcí úhel<br />
(flip angle, FA)<br />
42
Gradient-echo (GE) koherentní<br />
• M ┴ je zachována na konci každého TR<br />
• signál (kontrast) závisí na poměru T2/T1<br />
• sekvence pro <strong>MR</strong> angiografii (TOF),<br />
– při krátkém TR dobře potlačují signál statické tkáně, proudící krev<br />
má naopak silný signál<br />
43
Gradient-echo (GE) nekoherentní<br />
• M ┴ je vynulována na konci každého TR<br />
• vážení závisí na TR a TE podobně jako u SE, navíc ale i na α<br />
• vždy určitý podíl T2*W - susceptibility artefakty<br />
(i na T1W GE)<br />
– narůstá s TE, výraznější tedy u T2 (detekce krvácení, BOLD)<br />
• menší náchylnost k pulzačním artefaktům<br />
• samozřejmě 2D, ale zejména 3D sekvence, možnost tenkých<br />
vrstev, izotropní rozlišení, rychlost<br />
44
Příklady <strong>MR</strong> sekvencí<br />
T1<br />
GE<br />
T1-kl T2<br />
<strong>MR</strong>A<br />
T1-IR<br />
45
SE : 6,5 min<br />
<strong>MR</strong> sekvence vs. čas<br />
• při zkracování času měření klesá obvykle<br />
kvalita obrazu a/nebo prostorové rozlišení<br />
TSE tf11: 2,5 min<br />
TSE tf65: 34 s<br />
HASTE: 1 s<br />
EPI SE: 150 ms<br />
46
Další sekvence<br />
• SE => TSE, DEFT, HASTE, RARE, DSE, MSE<br />
• IR => TIR, MIR, STIR, FLAIR<br />
• GE=><br />
– koherentní - FISP, True-FISP, PSIF, DESS,<br />
CISS, FAID,<br />
– nekoherentní - FLASH, T1W-FFE, Spoiled<br />
GRASS, SPAMM, TGSE<br />
47
Fat sat<br />
• Využívá chemický posun mezi protony<br />
v molekulách tuku a vody (jejich lehce<br />
rozdílná Larmorova frekvence).<br />
• Na začátku sekvence je nejprve vyslán<br />
puls, který ovlivní – saturuje pouze<br />
protony tuku, ale protony vody nejsou<br />
ovlivněny.<br />
• Potom se spustí normální sekvence (TSE,<br />
SE, GE), a na výsledném obrázku je potlačen<br />
signál tuku, jehož protony jsou saturovány<br />
48
<strong>MR</strong> Spektroskopie<br />
Metoda stanovující množství (koncentraci) různých<br />
látek ve tkáních pomocí magnetické rezonance.<br />
Každý atom má jinou gyromagnetickou<br />
konstantu, a tedy jinou Larmorovu frekvenci.<br />
Frekvence precese stejných atomů se však lehce<br />
liší též podle molekuly, ve které je atom vázán –<br />
tzv. chemický posun (chemical shift). Tento<br />
jev je dán různým stíněním jader atomů elektrony<br />
v molekule.<br />
49
<strong>MR</strong> Spektroskopie<br />
Vyžaduje:<br />
• velmi silné magnetické<br />
pole<br />
• velmi homogenní pole<br />
• výkonné gradienty<br />
Výstupem je spektrum určitého prvku (např. H, C či P),<br />
ukazující zastoupení jednotlivých sloučenin s tímto prvkem<br />
v tkáni.<br />
50
<strong>MR</strong> Spektroskopie<br />
• Prostata<br />
• Děložní čípek<br />
• Mozek<br />
51
Proudění spinů<br />
• Makroskopické – <strong>MR</strong> AG<br />
• Mikroskopické<br />
• Difuse<br />
52
Difusně vážené zobrazení (DWI)<br />
• Během gradientních pulsů dojde k nevratnému<br />
rozfázování (poklesu) signálu úměrně velikosti difuse<br />
• nutný rychlý náběr dat<br />
• měření minimálně v 6-ti směrech<br />
– časná ischémie, RS, tumory, abscesy<br />
b=0 b=1000 ADC<br />
53
<strong>MR</strong> traktografie – DTI<br />
• vycházejí z difúze<br />
• Anizotropie DT je mírou hustoty neuronových svazků<br />
• v bílé hmotě dominuje difúze ve směru vláken<br />
54
Co tedy s daty? – DICOM daty (CAD)<br />
• Rekonstrukce MIP, VRT + manipulace<br />
• Fúze<br />
• Perfuzní mapy<br />
• Tracking cév, objemů<br />
• Segmentace<br />
• Rastry<br />
• RAW data<br />
• Virtuální zobrazení<br />
55
Rekonstrukce VRT, MIP<br />
• Nové VRTy (hlavně pro <strong>MR</strong>)<br />
– <strong>CT</strong> VRTy propracované, snaha zobrazit podstatné,<br />
práce se světlem a stínem, barvou<br />
– <strong>MR</strong> pouze <strong>MR</strong>A, zobrazit jinou tkáň je problém<br />
(T1W iso sekvence tenké řezy mozkem nativ i s<br />
k.l.)<br />
• Možnost manipulací<br />
– Oddálit (vykloubit) kosti v kloubu – hodnotit<br />
kloubní plochy<br />
– Samostatná manipulace jen s částí objektu<br />
56
Fúze dat<br />
• Porovnat obrazy <strong>CT</strong> či <strong>MR</strong> proti sobě<br />
• Porovnat obrazy <strong>CT</strong>/<strong>CT</strong> či <strong>MR</strong>/<strong>MR</strong> proti sobě<br />
časově posunuté<br />
• Porovnat UZ/<strong>CT</strong>/<strong>MR</strong>, CR/<strong>CT</strong><br />
• Sledovat vývoj<br />
• Fúze dvou různých sekvencí z <strong>MR</strong><br />
57
Perfuzní mapy<br />
Perfuze – dynamická studie postkontrastně<br />
• Perfuze mozku <strong>CT</strong>/<strong>MR</strong> – fungují v praxi<br />
• Perfuze jiných orgánů či tumorů<br />
• Dynamické studie<br />
– <strong>MR</strong> prsů<br />
– <strong>MR</strong> prostaty<br />
• Možné udělat perfuzní mapy u <strong>CT</strong> břicha<br />
ze 3-5 měření ?<br />
58
Tracking cév, objemů<br />
• Snaha odlišit určitou strukturu, tu poté<br />
zvýraznit, zobrazit v MIP, VRT<br />
– Zobrazit průběh – cévy, bronchů, střeva<br />
• „Natrekovaný“ orgán natáhnout a zobrazit<br />
• Zhodnotit sílu stěny orgánu<br />
– Najít okraje orgánu, změřit objem<br />
• Rozlišit na ledvině kůru a dřeň<br />
• Spočítat objem plíce a objem bronchů<br />
– Najít okraje patologie – tumor, ložisko<br />
• Najít a vypočítat objem volné tekutiny<br />
v hrudníku nebo v břiše<br />
• Spočítat objem hematomu<br />
59
Segmentace<br />
• Využití <strong>MR</strong> k selektivní segmentaci<br />
vybrané tkáně, zobrazit, počítat<br />
objem<br />
– Chrupavka<br />
– Kostní dřeň<br />
– Ložisko<br />
– Cévy<br />
60
Rastry<br />
• Na různých snímcích mají orgány určitý<br />
charakter<br />
• Charakter se mění i po podání k.l. i.v.<br />
• Lze hodnotit podle rastru typ patologie<br />
– Tvorba knihoven patologií<br />
61
RAW data<br />
Systémy umí počítat z RAW dat MPR a<br />
tenký MIP<br />
• Je možné tvořit přímo VRT<br />
• Je možné RAW data přímo analyzovat<br />
62
Virtuální zobrazení<br />
• Virtuální colonoskopie<br />
• Virtuální bronchoskopie<br />
• Virtuální arterioskopie<br />
• Virtuální pohyb v těle<br />
63
Děkuji za pozornost<br />
64
Change language