Chapter 1 MRI
Leg MRI heel beknopt uit (basis)
Voor MRI heb je een heel sterk statisch magnetisch veld nodig en het magnetisch veld wordt
uitgedrukt in Tesla.
Magnetisch veld gebruikt bij mensen: 1.5 – 3T
Magnetisch veld gebruikt bij dieren (muizen etc.): Tot 11.5 – 17.5T (pixels zijn 10 kleiner
in vergelijking met de mens omdat een dier vaak veel kleiner is)
o Je wil dezelfde informatie waardoor je een veel sterker magnetisch veld nodig
hebt.
Het magnetisch veld wordt opgewekt door een grote spoel (= supergeleidende magneet). De
spoel heeft geen elektrische weerstand nodig in zijn supergeleidende toestand en is omgeven
door helium (4 Kelvin).
De spoel wordt gekoeld door het helium zodat de elektrische weerstand van de spoel
daalt (er is geen weerstand meer bij 4K) en de spoel daardoor op zichzelf staat.
Om iets te meten in het lichaam/object moeten we de evenwichtstoestand van de protonen
verstoren en dit gebeurt met RF (radiofrequente) golven opgewekt door de spoel. Door de
evenwichtstoestand te verstoren gaat het lichaam/object zelf elektromagnetische (EM) golven
uitsturen welke we detecteren moet de spoel welke het MRI signaal geven.
Waarom kunnen we enkel protonen gebruiken bij MRI en welke?
Protonen hebben een lading en een spin. Dit betekent dat ze een magnetisch moment
generen. Het magnetisch moment gedraagt zich als een kleine magneet wat belangrijk is om
te interageren met het externe magnetische veld B0.
Enkel kernen met een oneven aantal protonen en/of neutronen hebben en netto spin en
kunnen daarom gebruikt worden. Vb. zijn:
Waterstof: halve spin
Koolstof: anderhalve spin
Stikstof: 1 spin
Fosfor: halve spin (gebruikt om naar het metabolisme te kijken)
Waterstof wordt het meest gebruikt in MRI omdat het lichaam voor 63% uit waterstofatomen
bestaat en er dus een overvloed aan is.
Bespreek het magnetisch moment μ
Het magnetisch moment μ is een vector die de magnetische eigenschappen van een deeltje
beschrijft. Het magnetisch moment wordt veroorzaakt door de combi van 2 eigenschappen
Lading
Protonen hebben een positieve lading en de rotatie ervan zorgt voor en cirkelvormige
stroom wat een magnetisch veld genereert.
Spin
Het deeltje draait rond zijn eigen as.
Als een proton wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld B0 gebeurt het volgende:
Oriëntatie
Page 1 of 30
, Het magnetisch moment van het proton richt zich gedeeltelijk langs (parallel) of tegen
(loodrecht) het magnetisch veld B0. Er zijn 2 energietoestanden
o Spin-up (laag energetisch): Het moment is parallel aan B0 (mee met B0, zelfde
richting)
o Spin-down (hoog energetisch)= het moment is tegen (parallel onder de vaste
hoek tegen het magnetisch veld) B0
Hoe hoger de magnetische veldsterkte, hoe verder de spin up en down van elkaar
verwijderd zijn. Spin up (lage energie) komt het vaakst voor.
De spins zijn normaal in evenwicht met elkaar (evenveel spin up als spin down) maar
willen dat evenwicht verstoren (van spin up naar spin down). Dit gebeurt door spins
van een lagere energie naar een hogere energie te brengen.
o Je gaat exact de hoeveelheid energie leveren dat om de spins van spin up naar
spin down te brengen (exciteren). Te veel of te weinig zal ervoor zorgen dat het
evenwicht behouden blijft
o Om de spins te exciteren ga je elektromagnetische energie (via een RF puls)
insturen die dezelfde frequentie heeft als di van de spins.
Precessie
Het magnetisch moment beweegt in een spiraalvormige beweging om het veld B0. Dus
het magnetisch moment komt in een extern magnetisch veld waardoor het een kracht
ondervindt en gaat roteren. De kracht zorgt voor een verandering in impulsmoment.
Dit wordt precessie genoemd en gebeurt met de Larmor frequentie (ω0 = -γB0). De
Larmor frequentie is recht evenredig aan het magnetisch veld. Dus hoe hoger je
magnetisch veld, hoe hoger de frequentie en hoe sneller de spiraalvormige beweging
is.
Besprek de netto magnetisatie
De netto magnetisatie M is de vectoriële som van alle individuele magnetische momenten
μ van protonen on een klein volume.
Zonder extern magnetisch veld (B0) zijn de magnetische momenten willekeurig
georiënteerd waardoor hun som 0 is (M = 0)
Wanneer er een extern magnetisch veld is, richten de magnetische momenten zich
langs (parallel) of tegen (loodrecht) het extern magnetisch veld wat een netto
magnetisatievector oplevert.
o Er zijn meer spin ups (dus lagere energie) dan spin down wanneer er een extern
magnetisch veld wordt aangelegd.
o Een hoger extern magnetisch veld geeft een groter verschil tussen de
energiestatus en hoe groter het verschil in het aantal dat spin up of spin down
is. Dit wil zeggen dat hoe groter het extern magnetisch veld, hoe groter de
magnetisatie vector en die zorgt voor de signaalintensiteit (MRI signaal).
Page 2 of 30
, Enkel de overblijvende spins in de spin up zorgen voor de
signaalintensiteit! De lage energiestatus is voordeliger en er gaan dus
altijd meer spins in de spin down zijn. Degene die in spin up zijn gaan
bijdragen aan de netto magnetisatie vector.
Niet elk proton draagt bij aan het signaal want er is veel uitwissing.
De netto magnetisatie staat altijd in de richting van het extern magnetisch veld B0
(parallel).
Om een netto magnetisatie te meten, moeten we de vector kantelen over een bepaalde hoek
weg van Z zodat je een x en y component krijgt. De hoek van de netto magnetisatie
veranderen kan in elke hoek. De hoek van de spins staat vast onder een bepaalde hoek.
1. Netto magnetisatie in evenwicht
In een stabiel extern magnetisch veld wijst de netto magnetisatie volledig in de richting
van B0 (de z-as). Dit is de longitudinale magnetisatie (Mz = M0).
Er zal geen transversale component zijn in het xy-vlak (Mxy = 0)
In deze situatie produceert de magnetisatie geen oscillerend signaal (MR Signaal)
en is niet direct meetbaar.
2. Excitatie (RF puls en kanteling van M)
Om M te kunnen meten, moet het uit zijn evenwichtstoestand worden gehaald. Een RF
puls wordt toegepast (via een 2de magnetisch veld B1 dat loodrecht op B0 staat) om M
uit zijn evenwichtstoestand te kantelen (M kantelt weg van de z-as).
Deze kanteling gebeurt over een bepaalde hoek (bijvoorbeeld 90°), waardoor M een
component krijgt in het xy-vlak.
Hierdoor ontstaat een transversale component Mₓᵧ ≠ 0, terwijl de longitudinale
component Mz < M₀ wordt.
De transversale component Mₓᵧ begint te draaien rond de z-as met een
hoekfrequentie ω₀, de Larmorfrequentie:
ω0=−γB0
Hierdoor ontstaat een oscillerend magnetisch veld wat resulteert in een meetbaar MR
signaal.
Puls Effect op M Magnetisatie vector spinverdeling
90° puls Kantelt M naar het xy-vlak Mz = 0 en Mxy = 0 De spins zijn in fase en gelijk
verdeeld tussen spin up en
Er is veel signaal want alles Langs x-as: Mx = 0
spin down.
in het xy-vlak wordt gemeten
My = M0
Page 3 of 30
, 180° puls Kantelt M volledig naar de Mz = -M0 en My = 0 De spin zijn uit fase met een
negatieve z-as. overschot aan spin-down
verspreid over het xy-vlak.
Er is geen signaal want er is
niets in het xy-vlak. - De spins nemen de energie
op en gaan naar een hogere
energietoestand
- De netto magnetisatievector
wijst naar beneden
3. Precessie van M
Na de excitatie begint M te draaien rond de Z-as, wat leidt tot een oscillerend signaal.
Deze draaibeweging is vergelijkbaar met hoe een tol draait onder invloed van
zwaartekracht.
De frequentie van deze precessie wordt de Larmorfrequentie genoemd en is
afhankelijk van het type kern en de sterkte van het magnetisch veld (= recht evenredig
dus hoe hoger B0, hoe hoger de frequentie).
4. Relaxatie (terugkeer naar evenwicht)
M keert terug naar zijn oorspronkelijke evenwichtstoestand via 2 relaxatieprocessen.
Longitudinale relaxatie (T1)
Mz = M0
De component langs de z-as herstelt zich naar zijn maximale waarde (bereiken
van het evenwicht).
Transversale relaxatie (T2)
Mxy = 0
Door kleine verschillen in het lokaal magnetisch veld (zoals inhomogeniteiten
en spin-spin interacties) gaan de individuele spins uit fase lopen. Dit proces
heet defasering. Het gevolg is dat de coherentie tussen de spins verdwijnt
waardoor de netto transversale magnetisatie Mxy afneemt. De component in
het xy-vlak vervalt tot nul over de tijd.
Let op: in praktijk wordt vaak T₂* gebruikt, wat ook rekening houdt met
veldinhomogeniteiten. T₂ is puur het gevolg van spin-spin interacties.
Page 4 of 30
Leg MRI heel beknopt uit (basis)
Voor MRI heb je een heel sterk statisch magnetisch veld nodig en het magnetisch veld wordt
uitgedrukt in Tesla.
Magnetisch veld gebruikt bij mensen: 1.5 – 3T
Magnetisch veld gebruikt bij dieren (muizen etc.): Tot 11.5 – 17.5T (pixels zijn 10 kleiner
in vergelijking met de mens omdat een dier vaak veel kleiner is)
o Je wil dezelfde informatie waardoor je een veel sterker magnetisch veld nodig
hebt.
Het magnetisch veld wordt opgewekt door een grote spoel (= supergeleidende magneet). De
spoel heeft geen elektrische weerstand nodig in zijn supergeleidende toestand en is omgeven
door helium (4 Kelvin).
De spoel wordt gekoeld door het helium zodat de elektrische weerstand van de spoel
daalt (er is geen weerstand meer bij 4K) en de spoel daardoor op zichzelf staat.
Om iets te meten in het lichaam/object moeten we de evenwichtstoestand van de protonen
verstoren en dit gebeurt met RF (radiofrequente) golven opgewekt door de spoel. Door de
evenwichtstoestand te verstoren gaat het lichaam/object zelf elektromagnetische (EM) golven
uitsturen welke we detecteren moet de spoel welke het MRI signaal geven.
Waarom kunnen we enkel protonen gebruiken bij MRI en welke?
Protonen hebben een lading en een spin. Dit betekent dat ze een magnetisch moment
generen. Het magnetisch moment gedraagt zich als een kleine magneet wat belangrijk is om
te interageren met het externe magnetische veld B0.
Enkel kernen met een oneven aantal protonen en/of neutronen hebben en netto spin en
kunnen daarom gebruikt worden. Vb. zijn:
Waterstof: halve spin
Koolstof: anderhalve spin
Stikstof: 1 spin
Fosfor: halve spin (gebruikt om naar het metabolisme te kijken)
Waterstof wordt het meest gebruikt in MRI omdat het lichaam voor 63% uit waterstofatomen
bestaat en er dus een overvloed aan is.
Bespreek het magnetisch moment μ
Het magnetisch moment μ is een vector die de magnetische eigenschappen van een deeltje
beschrijft. Het magnetisch moment wordt veroorzaakt door de combi van 2 eigenschappen
Lading
Protonen hebben een positieve lading en de rotatie ervan zorgt voor en cirkelvormige
stroom wat een magnetisch veld genereert.
Spin
Het deeltje draait rond zijn eigen as.
Als een proton wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld B0 gebeurt het volgende:
Oriëntatie
Page 1 of 30
, Het magnetisch moment van het proton richt zich gedeeltelijk langs (parallel) of tegen
(loodrecht) het magnetisch veld B0. Er zijn 2 energietoestanden
o Spin-up (laag energetisch): Het moment is parallel aan B0 (mee met B0, zelfde
richting)
o Spin-down (hoog energetisch)= het moment is tegen (parallel onder de vaste
hoek tegen het magnetisch veld) B0
Hoe hoger de magnetische veldsterkte, hoe verder de spin up en down van elkaar
verwijderd zijn. Spin up (lage energie) komt het vaakst voor.
De spins zijn normaal in evenwicht met elkaar (evenveel spin up als spin down) maar
willen dat evenwicht verstoren (van spin up naar spin down). Dit gebeurt door spins
van een lagere energie naar een hogere energie te brengen.
o Je gaat exact de hoeveelheid energie leveren dat om de spins van spin up naar
spin down te brengen (exciteren). Te veel of te weinig zal ervoor zorgen dat het
evenwicht behouden blijft
o Om de spins te exciteren ga je elektromagnetische energie (via een RF puls)
insturen die dezelfde frequentie heeft als di van de spins.
Precessie
Het magnetisch moment beweegt in een spiraalvormige beweging om het veld B0. Dus
het magnetisch moment komt in een extern magnetisch veld waardoor het een kracht
ondervindt en gaat roteren. De kracht zorgt voor een verandering in impulsmoment.
Dit wordt precessie genoemd en gebeurt met de Larmor frequentie (ω0 = -γB0). De
Larmor frequentie is recht evenredig aan het magnetisch veld. Dus hoe hoger je
magnetisch veld, hoe hoger de frequentie en hoe sneller de spiraalvormige beweging
is.
Besprek de netto magnetisatie
De netto magnetisatie M is de vectoriële som van alle individuele magnetische momenten
μ van protonen on een klein volume.
Zonder extern magnetisch veld (B0) zijn de magnetische momenten willekeurig
georiënteerd waardoor hun som 0 is (M = 0)
Wanneer er een extern magnetisch veld is, richten de magnetische momenten zich
langs (parallel) of tegen (loodrecht) het extern magnetisch veld wat een netto
magnetisatievector oplevert.
o Er zijn meer spin ups (dus lagere energie) dan spin down wanneer er een extern
magnetisch veld wordt aangelegd.
o Een hoger extern magnetisch veld geeft een groter verschil tussen de
energiestatus en hoe groter het verschil in het aantal dat spin up of spin down
is. Dit wil zeggen dat hoe groter het extern magnetisch veld, hoe groter de
magnetisatie vector en die zorgt voor de signaalintensiteit (MRI signaal).
Page 2 of 30
, Enkel de overblijvende spins in de spin up zorgen voor de
signaalintensiteit! De lage energiestatus is voordeliger en er gaan dus
altijd meer spins in de spin down zijn. Degene die in spin up zijn gaan
bijdragen aan de netto magnetisatie vector.
Niet elk proton draagt bij aan het signaal want er is veel uitwissing.
De netto magnetisatie staat altijd in de richting van het extern magnetisch veld B0
(parallel).
Om een netto magnetisatie te meten, moeten we de vector kantelen over een bepaalde hoek
weg van Z zodat je een x en y component krijgt. De hoek van de netto magnetisatie
veranderen kan in elke hoek. De hoek van de spins staat vast onder een bepaalde hoek.
1. Netto magnetisatie in evenwicht
In een stabiel extern magnetisch veld wijst de netto magnetisatie volledig in de richting
van B0 (de z-as). Dit is de longitudinale magnetisatie (Mz = M0).
Er zal geen transversale component zijn in het xy-vlak (Mxy = 0)
In deze situatie produceert de magnetisatie geen oscillerend signaal (MR Signaal)
en is niet direct meetbaar.
2. Excitatie (RF puls en kanteling van M)
Om M te kunnen meten, moet het uit zijn evenwichtstoestand worden gehaald. Een RF
puls wordt toegepast (via een 2de magnetisch veld B1 dat loodrecht op B0 staat) om M
uit zijn evenwichtstoestand te kantelen (M kantelt weg van de z-as).
Deze kanteling gebeurt over een bepaalde hoek (bijvoorbeeld 90°), waardoor M een
component krijgt in het xy-vlak.
Hierdoor ontstaat een transversale component Mₓᵧ ≠ 0, terwijl de longitudinale
component Mz < M₀ wordt.
De transversale component Mₓᵧ begint te draaien rond de z-as met een
hoekfrequentie ω₀, de Larmorfrequentie:
ω0=−γB0
Hierdoor ontstaat een oscillerend magnetisch veld wat resulteert in een meetbaar MR
signaal.
Puls Effect op M Magnetisatie vector spinverdeling
90° puls Kantelt M naar het xy-vlak Mz = 0 en Mxy = 0 De spins zijn in fase en gelijk
verdeeld tussen spin up en
Er is veel signaal want alles Langs x-as: Mx = 0
spin down.
in het xy-vlak wordt gemeten
My = M0
Page 3 of 30
, 180° puls Kantelt M volledig naar de Mz = -M0 en My = 0 De spin zijn uit fase met een
negatieve z-as. overschot aan spin-down
verspreid over het xy-vlak.
Er is geen signaal want er is
niets in het xy-vlak. - De spins nemen de energie
op en gaan naar een hogere
energietoestand
- De netto magnetisatievector
wijst naar beneden
3. Precessie van M
Na de excitatie begint M te draaien rond de Z-as, wat leidt tot een oscillerend signaal.
Deze draaibeweging is vergelijkbaar met hoe een tol draait onder invloed van
zwaartekracht.
De frequentie van deze precessie wordt de Larmorfrequentie genoemd en is
afhankelijk van het type kern en de sterkte van het magnetisch veld (= recht evenredig
dus hoe hoger B0, hoe hoger de frequentie).
4. Relaxatie (terugkeer naar evenwicht)
M keert terug naar zijn oorspronkelijke evenwichtstoestand via 2 relaxatieprocessen.
Longitudinale relaxatie (T1)
Mz = M0
De component langs de z-as herstelt zich naar zijn maximale waarde (bereiken
van het evenwicht).
Transversale relaxatie (T2)
Mxy = 0
Door kleine verschillen in het lokaal magnetisch veld (zoals inhomogeniteiten
en spin-spin interacties) gaan de individuele spins uit fase lopen. Dit proces
heet defasering. Het gevolg is dat de coherentie tussen de spins verdwijnt
waardoor de netto transversale magnetisatie Mxy afneemt. De component in
het xy-vlak vervalt tot nul over de tijd.
Let op: in praktijk wordt vaak T₂* gebruikt, wat ook rekening houdt met
veldinhomogeniteiten. T₂ is puur het gevolg van spin-spin interacties.
Page 4 of 30
