RT
1. Non-invasive in vivo imaging (MRI 1)
MEDICAL IMAGING
DIFFERENT IMAGING TECHNIQUES BASED ON ‘WAVES’
Medische beeldvorming = tools die in de kliniek gebruikt worden om een diagnose te kunnen stellen. Meer en meer wordt er
gebruik gemaakt van niet-invasieve technieken, waarbij informaPe ingewonnen kan worden zonder een operaPeve ingreep bij
de paPënt. Dit kan m.b.v. biomedische beeldvorming, waarbij de technieken (meestal) gebaseerd zijn op EM-golven:
- X-ray imaging
o Standaard: RX scan zoals als je een botbreuk hebt
o CT (computerized tomography) = virtuele snedes doorheen een paPënt
- Radio-golven
o MRI
- Gamma stralen (nucleaire geneeskunde)
o PET: positron emission tomography
o SPECT: single photon emission computed tomography
- Visueel spectrum
o OpPsche beeldvorming
o BioluminescenPe beeldvorming
Technieken die niet gebaseerd zijn op EM-golven: ultrasound, maakt gebrik van geluidsgolven (bv. echo bij zwangerschap)
SPEC TRUM VAN EM-GOLVEN
Beeldvorming met de laagste energie/frequenPe is het
minst schadelijk.
MRI is één van de minst schadelijke technieken: er wordt
namelijik geen ioniserende straling gebruikt. (ultrasound
gebruikt geen EM dus is nog veiliger).
Microgolven, IR, zichtbaar licht, UV-licht en X-stralen
vormen de middenmoot.
Gamma stralen (gebruikt bij PET en SPECT) spannen de kroon qua schadelijkheid. (maken ook nog gebruik van radioacPviteit)
DIFFERENT IMAGING TECHNIQUES VISUALIZE DIFFERENT PROCESSES
- X-ray imaging: gee` informaPe over de anatomie en kleine hoeveelheid over de fysiologie
- Radio golven: geven informaPe over de anatomie, fysiologie, metabolisme en in mindere mate moleculaire info
- Gamma stralen: geven info over moleculaire aspecten en het metabolisme, minder over de fysiologie
- Visueel spectrum: is niet in staat ‘deep-Pssue’ informaPe te voorzien, meer over het oppervlak (moleculair, metabool)
- Ultrasound: voorziet informaPe over de anatomie en fysiologie, in mindere mate info over het metabolisme
Radio golven en gamma stralen zijn dus zeer complementair,
aangezien ze elks op hun beurt informaPe voorzien over andere
eigenschappen
1
, RT
A COMPROMISE BETWEEN SENSITIVITY AND RESOLUTION
Voor elke beeldvormingstechniek is er een compromis tussen de ‘spaEal
resoluEon’ en de ‘molecular sensiEvity’
- Hoe lager ‘spaPal resoluPon’, hoe beter à meer details waarnemen
in het weefsel waarin men geïnteresseerd is
- Hoe lager de ‘molecular sensiPvity’, hoe beter à een zo laag
mogelijk sensiPviteit hebben om de kleinste veranderingen te
kunnen waarnemen.
Een ideale beeldvormingstechniek hee` dus een zo laag mogelijke spaPal resoluPon en een zo laag mogelijke molecular
sensiPvity. Deze techniek bestaat echter (nog) niet.
Een hogere sensiPviteit gaat namelijk vaak gepaard met een minder goede resoluPe.
NIET-INVASIEVE BEELDVORMING IN DE KLINIEK
Zoals eerder vermeld zullen in de kliniek soms gebruik gemaakt worden van bepaalde combinaEes zoals PET/CT, PET/MRI,
SPECT/CT. Dit komt omwille van het feit dat PET en SPECT moleculaire beeldvormingstechnieken zijn. Hierbij zal een molecule
geïnjecteerd worden bij de paPënt, nadien kijkt men waar in het lichaam het molecule terug te vinden is.
Om te weten te komen waar in het lichaam het mlecule zich bevindt, hanteert men complementaire methoden zoals CT of MRI
om zo toch info te bekomen over de regio’s in het lichaam waar men de moleculaire beeldvorming uitvoert.
Tomografie = virtuele (niet-invasieve) snedes (2D) doorheen een 3D object.
NIET-INVASIEVE BEELDVORMING IN BIOMEDISCH ONDERZOEK
Gebruik gemaakt van speciale (miniatuur (=micro)) beeldvormingstoestellen die gemaakt zijn voor onderzoek van proefdieren.
Belangrijk bij proefdieronderzoek in dergelijke toestellen is dat het dier verdoofd is. Zo niet, zou het dier onmogelijk blijven
sPlliggen in de tunnel van het toestel. Dit brengt een aantal extra maatregelen met zich mee. Het proefdier zal beademd moeten
worden, de temperatuur zal constant gehouden moeten worden, ademhaling en hartslag moeten gemonitord worden…
Indien dit alles niet gebeurt, bestaat de kans dat het proefdier overlijdt Pjdens de beeldvormingsproces.
MRI: MAGNETIC RESONANCE IMAGING
NMRI: NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING
Eigenlijk is er sprake van Nucleaire MagneEsche ResonanEe Beeldvorming (NMRI)
- Term wordt zelden in de kliniek gebruik omdat de term ‘nucleair’ een negaPeve connotaPe hee` in de bij paPënten.
MRI wordt gebruikt voor het visualiseren van organen en weefsels
Men plaatst een klein toestel (radiofrequente coil) rondom de regio/plaats van het lichaam waarvan men een beeld wil vormen.
Er wordt een groot magneetveld gebruikt, uitgedrukt in Tesla (1 Tesla = 10 000 Gauss)
- Het aard magnePsch veld bedraagt 0,5 Gauss
- Bij de mens in de kliniek gebruikt men magneetvelden van 1-3 Tesla (resoluPe rond 1-3 mm)
- Bij proefdieren 7 en 9,4 Tesla doordat je hier een hogere ruimtelijke resoluPe (125-70 µm) moet halen (= probleem)
Het MRI toestel hee` ook meerdere assen X, Y en Z as (coil) om zo een ideaal beeld te verkijgen.
2
, RT
NUCLEAIR ASPECT
Elk atoom bestaat uit een kern met daarrond elektronen.
- De kern bestaat uit protonen (+) en neutronen (0), die een spin van ½ (rotaPon) hebben
- Indien er een lading op het deeltje zit (zoals bij een proton), resulteert de rotaPe van het geladen deeltje in een
magneEsch veld
Proton + neutron: heffen elkaars spin op, waardoor er geen magnePsch veld wordt opgewekt
H-atoom: hee` enkel een proton, waardoor er dus wel een magnePsch veld gegenereerd zal worden.
à Enkel kernen met een oneven aantal in de kern gaan een neno spin hebben
Atoom Kerngetal NeOo spin Biologische abundanEe
1
Waterstof H ½ 0,63
2
H 1
13
Koolstof C ½
14
SPkstof N 1 0,094
23
Natrium Na 3/2
31
Fosfor P ½ 0,00041
19
Fluor F ½ 0,0024
Kijkend naar de biologische abundanPe, is duidelijk dat waterstof het meest frequent voorkomt in ons organisme. Hierdoor zal
er voor MRI bijna uitsluitend gebruik worden gemaakt van waterstof (H). 12C en 16O zijn eveneens biologische moleculen die in
ons lichaam voorkomen, maar ze hebben een even aantal in de kern, waardoor ze niet bruikbaar zijn voor MRI (niet zichtbaar
met MRI)
SPINNING NUCLEUS
Dus wanneer een geladen deeltje (zoals een proton) om zijn eigen as draait, creeërt dit een magneEsch veld.
- De atoomkern kan aldus worden beschouwd als een miniscule magneet
- Onder normale omstandigheden zijn deze miniscule magneetjes ruimtelijk willekeurig georiënteerd
o Ze heffen elkaar op waardoor het neno magnePsche moment gelijk is aan 0
o
Wanneer een uitwendig magneEsch veld (B0) wordt aangelegd kunnen de atoomkernen (proton) zich dus op twee verschillende
energienieveaus bevinden
Bij MRI is men enkel geïnteresseerd in de spinning nucleus die een posiPeve lading hee`, waardoor deze een elektrische stroom
kan genereren. Deze stroom creëert een magneEsch moment µ.
Als een persoon (bevat 63% H-protonen) in een magnePsch veld wordt gebracht, zulen de protonen zich vnl oriënteren in de
richPng van het magnePsch veld (up-state). Sommigen zullen zich echter in de omgekeerde richPng oriënteren (down state).
à in een magnePsch veld gaan protonen voornamelijk aanwezig zijn in de up-state maar een aantal protonen bevinden zich in
de down-state. Deze protonen in de down-state hebben een hogere energietoestand
3
, RT
DUS: wanneer een uitwendig magneEsch veld (B0) wordt aangelegd kunnen de atoomkernen (proton) zich dus op twee
verschillende energienieveaus bevinden
- Een lager energieniveau
o De atoomkernen in dezelfde richEng georiënteerd (parallel) als het extern magnePsch veld (B0)
o De meeste atoomkernen bevinden zich in dit lager energieniveau
- Een hoger energieniveau
o De atoomkernen zijn in tegenovergestelde richEng georiënteerd als het extern magenPsch veld (B0)
o Het kost energie om de atoomkernen tegengesteld te oriënteren
De protonen zijn echter niet staPsch, maar precesseren (beweging die de draaias van een roterend voorwerp maakt onder invloed
van een uitwendige kracht) en spinnen rond hun as. De frequenPe waarmee ze spinnen is de Larmor frequenEe. Deze frequenPe
wordt bepaald door het magnePsch veld waarin je de protonen brengt.
à Elke magneet met een andere veldsterkte hee` een andere resonanPefrequenPe: LarmorfrequenPe: F = g . B0
Er is meer magnePsaPe in de upstate. Als je de vectoren optelt krijg je een neOo transversale magneEsaEe in de Z-richPng = som
van alle vectoren in heel het lichaam.
Bij MRI gaat men een radiofrequente antenne (coil) aanbrengen rondom de regio/plaats die men in beeld wil brengen. M.b.v. de
RF antenne stuurt men golven in met een resonanPefrequenPe gelijk aan de Larmor frequenPe. Op deze manier kunnen meer
protonen van de lage- (up-state) in de hoge energietoestand (down-state) gebracht worden. Er is nu even veel hoge als lage
energie, waardoor er zich een vector (projecPe) in het X-Y vlak instelt.
DUS: de neno longitudinale spin (Mz) zal afgebroken worden en zal er een transversale magneEsaEe (Mxy) zal gecreëerd worden,
dewelke opgepikt kan worden als het MRI signaal door de RF antenne.
CONTRASTMECHANISMEN
PROTON DENSITY
Het signaal is hier gebaseerd op het aantal waterstofatomen (m.a.w. de proton densiteit)
Maar dit is een onprakEsche aanpak
- De waterhoeveelheid in prakPsch alle weefsels ligt tussen 60-80%
- Dus op een MRI beeld zou het contrast tussen het weefsel dat je wil bestuderen en de omliggende weefsels klein zijn
o Moeilijk om onderscheid te maken tussen beiden
- Er zouden dan dus contrast enhancement technieken moeten uitgevoerd worden
4
1. Non-invasive in vivo imaging (MRI 1)
MEDICAL IMAGING
DIFFERENT IMAGING TECHNIQUES BASED ON ‘WAVES’
Medische beeldvorming = tools die in de kliniek gebruikt worden om een diagnose te kunnen stellen. Meer en meer wordt er
gebruik gemaakt van niet-invasieve technieken, waarbij informaPe ingewonnen kan worden zonder een operaPeve ingreep bij
de paPënt. Dit kan m.b.v. biomedische beeldvorming, waarbij de technieken (meestal) gebaseerd zijn op EM-golven:
- X-ray imaging
o Standaard: RX scan zoals als je een botbreuk hebt
o CT (computerized tomography) = virtuele snedes doorheen een paPënt
- Radio-golven
o MRI
- Gamma stralen (nucleaire geneeskunde)
o PET: positron emission tomography
o SPECT: single photon emission computed tomography
- Visueel spectrum
o OpPsche beeldvorming
o BioluminescenPe beeldvorming
Technieken die niet gebaseerd zijn op EM-golven: ultrasound, maakt gebrik van geluidsgolven (bv. echo bij zwangerschap)
SPEC TRUM VAN EM-GOLVEN
Beeldvorming met de laagste energie/frequenPe is het
minst schadelijk.
MRI is één van de minst schadelijke technieken: er wordt
namelijik geen ioniserende straling gebruikt. (ultrasound
gebruikt geen EM dus is nog veiliger).
Microgolven, IR, zichtbaar licht, UV-licht en X-stralen
vormen de middenmoot.
Gamma stralen (gebruikt bij PET en SPECT) spannen de kroon qua schadelijkheid. (maken ook nog gebruik van radioacPviteit)
DIFFERENT IMAGING TECHNIQUES VISUALIZE DIFFERENT PROCESSES
- X-ray imaging: gee` informaPe over de anatomie en kleine hoeveelheid over de fysiologie
- Radio golven: geven informaPe over de anatomie, fysiologie, metabolisme en in mindere mate moleculaire info
- Gamma stralen: geven info over moleculaire aspecten en het metabolisme, minder over de fysiologie
- Visueel spectrum: is niet in staat ‘deep-Pssue’ informaPe te voorzien, meer over het oppervlak (moleculair, metabool)
- Ultrasound: voorziet informaPe over de anatomie en fysiologie, in mindere mate info over het metabolisme
Radio golven en gamma stralen zijn dus zeer complementair,
aangezien ze elks op hun beurt informaPe voorzien over andere
eigenschappen
1
, RT
A COMPROMISE BETWEEN SENSITIVITY AND RESOLUTION
Voor elke beeldvormingstechniek is er een compromis tussen de ‘spaEal
resoluEon’ en de ‘molecular sensiEvity’
- Hoe lager ‘spaPal resoluPon’, hoe beter à meer details waarnemen
in het weefsel waarin men geïnteresseerd is
- Hoe lager de ‘molecular sensiPvity’, hoe beter à een zo laag
mogelijk sensiPviteit hebben om de kleinste veranderingen te
kunnen waarnemen.
Een ideale beeldvormingstechniek hee` dus een zo laag mogelijke spaPal resoluPon en een zo laag mogelijke molecular
sensiPvity. Deze techniek bestaat echter (nog) niet.
Een hogere sensiPviteit gaat namelijk vaak gepaard met een minder goede resoluPe.
NIET-INVASIEVE BEELDVORMING IN DE KLINIEK
Zoals eerder vermeld zullen in de kliniek soms gebruik gemaakt worden van bepaalde combinaEes zoals PET/CT, PET/MRI,
SPECT/CT. Dit komt omwille van het feit dat PET en SPECT moleculaire beeldvormingstechnieken zijn. Hierbij zal een molecule
geïnjecteerd worden bij de paPënt, nadien kijkt men waar in het lichaam het molecule terug te vinden is.
Om te weten te komen waar in het lichaam het mlecule zich bevindt, hanteert men complementaire methoden zoals CT of MRI
om zo toch info te bekomen over de regio’s in het lichaam waar men de moleculaire beeldvorming uitvoert.
Tomografie = virtuele (niet-invasieve) snedes (2D) doorheen een 3D object.
NIET-INVASIEVE BEELDVORMING IN BIOMEDISCH ONDERZOEK
Gebruik gemaakt van speciale (miniatuur (=micro)) beeldvormingstoestellen die gemaakt zijn voor onderzoek van proefdieren.
Belangrijk bij proefdieronderzoek in dergelijke toestellen is dat het dier verdoofd is. Zo niet, zou het dier onmogelijk blijven
sPlliggen in de tunnel van het toestel. Dit brengt een aantal extra maatregelen met zich mee. Het proefdier zal beademd moeten
worden, de temperatuur zal constant gehouden moeten worden, ademhaling en hartslag moeten gemonitord worden…
Indien dit alles niet gebeurt, bestaat de kans dat het proefdier overlijdt Pjdens de beeldvormingsproces.
MRI: MAGNETIC RESONANCE IMAGING
NMRI: NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING
Eigenlijk is er sprake van Nucleaire MagneEsche ResonanEe Beeldvorming (NMRI)
- Term wordt zelden in de kliniek gebruik omdat de term ‘nucleair’ een negaPeve connotaPe hee` in de bij paPënten.
MRI wordt gebruikt voor het visualiseren van organen en weefsels
Men plaatst een klein toestel (radiofrequente coil) rondom de regio/plaats van het lichaam waarvan men een beeld wil vormen.
Er wordt een groot magneetveld gebruikt, uitgedrukt in Tesla (1 Tesla = 10 000 Gauss)
- Het aard magnePsch veld bedraagt 0,5 Gauss
- Bij de mens in de kliniek gebruikt men magneetvelden van 1-3 Tesla (resoluPe rond 1-3 mm)
- Bij proefdieren 7 en 9,4 Tesla doordat je hier een hogere ruimtelijke resoluPe (125-70 µm) moet halen (= probleem)
Het MRI toestel hee` ook meerdere assen X, Y en Z as (coil) om zo een ideaal beeld te verkijgen.
2
, RT
NUCLEAIR ASPECT
Elk atoom bestaat uit een kern met daarrond elektronen.
- De kern bestaat uit protonen (+) en neutronen (0), die een spin van ½ (rotaPon) hebben
- Indien er een lading op het deeltje zit (zoals bij een proton), resulteert de rotaPe van het geladen deeltje in een
magneEsch veld
Proton + neutron: heffen elkaars spin op, waardoor er geen magnePsch veld wordt opgewekt
H-atoom: hee` enkel een proton, waardoor er dus wel een magnePsch veld gegenereerd zal worden.
à Enkel kernen met een oneven aantal in de kern gaan een neno spin hebben
Atoom Kerngetal NeOo spin Biologische abundanEe
1
Waterstof H ½ 0,63
2
H 1
13
Koolstof C ½
14
SPkstof N 1 0,094
23
Natrium Na 3/2
31
Fosfor P ½ 0,00041
19
Fluor F ½ 0,0024
Kijkend naar de biologische abundanPe, is duidelijk dat waterstof het meest frequent voorkomt in ons organisme. Hierdoor zal
er voor MRI bijna uitsluitend gebruik worden gemaakt van waterstof (H). 12C en 16O zijn eveneens biologische moleculen die in
ons lichaam voorkomen, maar ze hebben een even aantal in de kern, waardoor ze niet bruikbaar zijn voor MRI (niet zichtbaar
met MRI)
SPINNING NUCLEUS
Dus wanneer een geladen deeltje (zoals een proton) om zijn eigen as draait, creeërt dit een magneEsch veld.
- De atoomkern kan aldus worden beschouwd als een miniscule magneet
- Onder normale omstandigheden zijn deze miniscule magneetjes ruimtelijk willekeurig georiënteerd
o Ze heffen elkaar op waardoor het neno magnePsche moment gelijk is aan 0
o
Wanneer een uitwendig magneEsch veld (B0) wordt aangelegd kunnen de atoomkernen (proton) zich dus op twee verschillende
energienieveaus bevinden
Bij MRI is men enkel geïnteresseerd in de spinning nucleus die een posiPeve lading hee`, waardoor deze een elektrische stroom
kan genereren. Deze stroom creëert een magneEsch moment µ.
Als een persoon (bevat 63% H-protonen) in een magnePsch veld wordt gebracht, zulen de protonen zich vnl oriënteren in de
richPng van het magnePsch veld (up-state). Sommigen zullen zich echter in de omgekeerde richPng oriënteren (down state).
à in een magnePsch veld gaan protonen voornamelijk aanwezig zijn in de up-state maar een aantal protonen bevinden zich in
de down-state. Deze protonen in de down-state hebben een hogere energietoestand
3
, RT
DUS: wanneer een uitwendig magneEsch veld (B0) wordt aangelegd kunnen de atoomkernen (proton) zich dus op twee
verschillende energienieveaus bevinden
- Een lager energieniveau
o De atoomkernen in dezelfde richEng georiënteerd (parallel) als het extern magnePsch veld (B0)
o De meeste atoomkernen bevinden zich in dit lager energieniveau
- Een hoger energieniveau
o De atoomkernen zijn in tegenovergestelde richEng georiënteerd als het extern magenPsch veld (B0)
o Het kost energie om de atoomkernen tegengesteld te oriënteren
De protonen zijn echter niet staPsch, maar precesseren (beweging die de draaias van een roterend voorwerp maakt onder invloed
van een uitwendige kracht) en spinnen rond hun as. De frequenPe waarmee ze spinnen is de Larmor frequenEe. Deze frequenPe
wordt bepaald door het magnePsch veld waarin je de protonen brengt.
à Elke magneet met een andere veldsterkte hee` een andere resonanPefrequenPe: LarmorfrequenPe: F = g . B0
Er is meer magnePsaPe in de upstate. Als je de vectoren optelt krijg je een neOo transversale magneEsaEe in de Z-richPng = som
van alle vectoren in heel het lichaam.
Bij MRI gaat men een radiofrequente antenne (coil) aanbrengen rondom de regio/plaats die men in beeld wil brengen. M.b.v. de
RF antenne stuurt men golven in met een resonanPefrequenPe gelijk aan de Larmor frequenPe. Op deze manier kunnen meer
protonen van de lage- (up-state) in de hoge energietoestand (down-state) gebracht worden. Er is nu even veel hoge als lage
energie, waardoor er zich een vector (projecPe) in het X-Y vlak instelt.
DUS: de neno longitudinale spin (Mz) zal afgebroken worden en zal er een transversale magneEsaEe (Mxy) zal gecreëerd worden,
dewelke opgepikt kan worden als het MRI signaal door de RF antenne.
CONTRASTMECHANISMEN
PROTON DENSITY
Het signaal is hier gebaseerd op het aantal waterstofatomen (m.a.w. de proton densiteit)
Maar dit is een onprakEsche aanpak
- De waterhoeveelheid in prakPsch alle weefsels ligt tussen 60-80%
- Dus op een MRI beeld zou het contrast tussen het weefsel dat je wil bestuderen en de omliggende weefsels klein zijn
o Moeilijk om onderscheid te maken tussen beiden
- Er zouden dan dus contrast enhancement technieken moeten uitgevoerd worden
4
