Dasar dari MRI

sekilas hardware

Scanner MRI telah berkembang jauh sejak unit komersial pertama diperkenalkan pada 1980-an. Bab ini membahas komponen perangkat keras dasar pencitra saat ini serta menyajikan beberapa rincian dari scanner generasi pertama.

 

Pada jendela grafis menampilkan representasi skematis dari sistem utama pada resonansi magnetik dan imager beberapa interkoneksi utama. Ikhtisar ini secara singkat menyatakan fungsi masing-masing komponen. Beberapa akan dijelaskan secara rinci nanti dalam bab ini.

Pada bagian atas representasi skematis Anda akan menemukan komponen Imager terletak di ruang scan resonansi magnetik Imager. Magnet menghasilkan medan Bo untuk prosedur pencitraan. Dalam magnet adalah kumparan gradien untuk menghasilkan gradien di Bo di X, Y, dan Z arah. Dalam kumparan gradien adalah kumparan RF. RF kumparan menghasilkan medan magnet B1 diperlukan untuk memutar sejauh berputar dengan 90o, 180o, atau nilai lain yang dipilih oleh urutan pulsa. RF koil juga mendeteksi sinyal dari berputar dalam tubuh. Pasien diposisikan dalam magnet oleh tabel pasien dikendalikan komputer. Tabel memiliki akurasi posisi dari 1 mm. Scan kamar dikelilingi oleh perisai RF. Perisai mencegah pulsa RF daya tinggi dari memancar keluar melalui rumah sakit. Hal ini juga mencegah berbagai sinyal RF dari stasiun televisi dan radio dari terdeteksi oleh imager tersebut. Beberapa kamar scan yang dikelilingi oleh perisai magnetik yang berisi medan magnet dari memperpanjang terlalu jauh ke rumah sakit. Dalam magnet baru, perisai magnet merupakan bagian tidak terpisahkan dari magnet.

Inti dari imager adalah komputer. Dia mengontrol semua komponen pada imager tersebut. Komponen RF di bawah kontrol komputer adalah sumber frekuensi radio dan pemrogram pulsa. Sumber itu menghasilkan gelombang sinus dari frekuensi yang diinginkan. Programmer Pulse membentuk pulsa RF ke pulsa sinc apodized. RF amplifier meningkatkan kekuatan pulsa dari mili Watt untuk killo Watts. Komputer juga mengontrol programmer pulsa gradien yang menetapkan bentuk dan amplitudo dari masing-masing bidang tiga gradien. Gradien amplifier meningkatkan kekuatan pulsa gradien ke tingkat yang cukup untuk menggerakkan kumparan gradien.

Array prosesor, terletak pada beberapa pencitra, adalah perangkat yang mampu melakukan dua dimensi Transformasi Fourier dalam sepersekian detik . Komputer off beban Transformasi Fourier untuk perangkat ini lebih cepat .Operator Imager memberikan input ke komputer melalui konsol kontrol. Sebuah urutan pencitraan dipilih dan disesuaikan dari konsol . Operator dapat melihat gambar pada tampilan video yang terletak di konsol atau dapat membuat hard copy dari foto pada printer Film .Tiga bagian berikutnya dari bab ini masuk ke detail lebih lanjut tentang magnet , gradien koil , koil RF , dan detektor RF pada pencitra resonansi magnetik .

Magnet

Pencitraan magnet merupakan komponen yang paling mahal dari sistem pencitraan resonansi magnetik . Sebagian magnet adalah dari jenis superkonduktor . Ini adalah gambar dari generasi pertama 1,5 Tesla magnet superkonduktor dari resonansi magnetik imager . Sebuah magnet superkonduktor elektromagnet yang terbuat dari kawat superkonduktor . Kawat superkonduktor memiliki ketahanan kurang lebih sama dengan nol ketika didinginkan ke suhu mendekati nol mutlak ( - 273.15o C atau 0 K ) dengan cara merendam dalam helium cair . Setelah saat ini disebabkan mengalir dalam kumparan akan terus mengalir selama kumparan disimpan pada suhu helium cair . ( Beberapa kerugian memang terjadi dari waktu ke waktu karena resistansi jauh lebih kecil dari koil . Kerugian ini dapat berada di urutan ppm dari medan magnet utama per tahun. ) 

 

Panjang kawat superkonduktor di magnet biasanya beberapa mil. Kumparan kawat disimpan pada suhu 4.2K dengan merendam dalam helium cair. Kumparan dan helium cair disimpan di dewar besar. Khas volume Helium cair dalam magnet MRI 1700 liter. Dalam desain awal magnet, dewar ini biasanya dikelilingi oleh nitrogen cair (77.4K) dewar yang bertindak sebagai buffer termal antara suhu kamar (293K) dan helium cair.

 

Lihat jendela animasi untuk tampilan cross sectional dari generasi pertama superkonduktor magnet pencitraan.

Dalam desain magnet kemudian, wilayah nitrogen cair digantikan oleh dewar didinginkan oleh cryocooler atau kulkas. Ada lemari es di luar magnet dengan garis-garis pendinginan pergi ke coldhead di helium cair. Desain ini menghilangkan kebutuhan untuk menambahkan nitrogen cair ke magnet, dan meningkatkan terus waktu helium cair sampai 3 sampai 4 tahun. Pada jendela animasi berisi tampilan cross sectional dari jenis magnet. Para peneliti sedang bekerja pada sebuah magnet yang tidak memerlukan helium cair.

 

Kemajuan lain dalam teknologi magnet adalah magnet terlindung. Magnet ini memiliki medan pinggiran kecil. Pinggiran lapangan turun menjadi 0,5 mT oleh empat meter dari magnet. Hal ini penting untuk alasan keamanan  dan membuatnya lebih mudah ke situs magnet. Perisai dicapai dengan set kedua superkonduktor gulungan, di luar yang utama dan dengan arus berlawanan, yang mengurangi bidang pinggiran.

Gradien Koil

Gradien koil menghasilkan gradien medan magnet Bo . Mereka adalah suhu kumparan kamar, yang karena konfigurasi mereka , menciptakan gradien yang diinginkan . Karena horisontal menanggung superkonduktor magnet yang paling umum , sistem kumparan gradien akan dijelaskan untuk magnet ini .Dengan asumsi standar resonansi magnetik sistem koordinat , gradien di Bo dalam arah Z dicapai dengan jenis antihelmholtz kumparan . Saat ini dalam dua kumparan arus dalam arah yang berlawanan menciptakan medan magnet gradien antara dua kumparan . Bidang B pada satu kumparan menambah lapangan Bo sementara lapangan B di pusat kumparan lain mengurangi dari bidang Bo .X dan Y gradien di bidang Bo diciptakan oleh sepasang tokoh-8 kumparan . The X poros - 8 kumparan membuat gradien di Bo dalam arah X karena arah arus melalui kumparan . Y poros - 8 kumparan menyediakan gradien yang sama di Bo sepanjang sumbu Y .Teknologi kumparan gradien juga telah berkembang jauh sejak pengenalan sistem generasi pertama . Sistem awal memiliki kekuatan gradien maksimum 10 mT / m dan waktu switching agak lambat . Sistem generasi saat ini dapat memiliki kekuatan gradien maksimum 100 mT / m dan waktu switching lebih cepat (tarif membunuh ) dari 150 mT / m / ms . Nilai-nilai ini memungkinkan sistem untuk mencapai ketebalan irisan 0,7 mm untuk akuisisi 2D dan 3D di 0,1 . 

RF Koil

RF koil menciptakan lapangan B1 yang memutar magnetisasi bersih dalam urutan pulsa. Mereka juga mendeteksi magnetisasi transversal karena proses pada bidang XY. RF kumparan dapat dibagi menjadi tiga kategori umum: 1) mengirim dan menerima gulungan, 2) hanya menerima gulungan, dan 3) hanya mengirimkan gulungan. Mengirim dan menerima gulungan berfungsi sebagai pemancar bidang B1 dan penerima energi RF dari objek gambar. A mengirimkan hanya kumparan digunakan untuk menciptakan lapangan B1 dan hanya menerima kumparan digunakan dalam hubungannya dengan itu untuk mendeteksi atau menerima sinyal dari berputar dalam objek tergambar. Ada beberapa varietas masing-masing. RF koil pada imager dapat disamakan kepada lensa pada kamera. Seorang fotografer akan menggunakan satu lensa untuk menutup tembakan dan yang berbeda untuk sudut tembakan jarak jauh yang luas. Sama seperti seorang fotografer yang baik memiliki beberapa lensa, sebuah situs pencitraan yang baik akan memiliki beberapa kumparan pencitraan untuk menangani berbagai situasi pencitraan yang mungkin timbul.

Sebuah kumparan pencitraan harus beresonansi, atau efisien menyimpan energi, pada frekuensi Larmor. Semua koil pencitraan terdiri dari sebuah induktor, atau elemen induktif, dan satu set elemen kapasitif. Frekuensi resonansi, ν, dari kumparan RF ditentukan oleh induktansi (L) dan kapasitansi (C) dari rangkaian kapasitor induktor.

Beberapa jenis kumparan pencitraan perlu disetel untuk setiap pasien dengan fisik memvariasikan variabel kapasitor . Persyaratan lain dari kumparan pencitraan adalah bahwa bidang B1 harus tegak lurus terhadap medan magnet Bo .Ada banyak jenis kumparan pencitraan . Volume kumparan mengelilingi objek dicitrakan sementara kumparan permukaan ditempatkan berdekatan dengan objek tergambar. Sebuah kumparan internal yang dirancang untuk merekam informasi dari daerah di luar kumparan , seperti kumparan kateter dirancang untuk dimasukkan ke dalam pembuluh darah . Beberapa gulungan dapat beroperasi baik sebagai pemancar bidang B1 dan penerima sinyal RF . Kumparan lain dirancang hanya sebagai penerima sinyal RF . Ketika menerima hanya koil digunakan , sebuah kumparan besar di imager yang digunakan sebagai pemancar energi RF untuk memproduksi pulsa 90o dan 180o .

 

Permukaan kumparan sangat populer karena mereka adalah hanya menerima kumparan dan memiliki rasio signal-to-noise yang baik untuk jaringan berdekatan dengan koil. Secara umum, sensitivitas dari gulungan permukaan menurun sebagai jarak dari kenaikan koil. Berikut adalah contoh gambar dari tulang belakang manusia yang lebih rendah diperoleh dengan coil permukaan.

 

RF Detektor

 Detektor RF pada sistem MRI telah berkembang jauh sejak 1980-an. Awalnya, detektor analog linier dan digitizers saluran tunggal yang digunakan. Ini diganti dengan detektor analog kuadratur dengan dua digitizers saluran. Dengan ketersediaan yang lebih baru dari digitizers cepat, digitizers saluran tunggal diikuti oleh deteksi quadrature digital lebih umum

Detektor analog linier hanya menghasilkan Mx ' atau My ' magnetisasi sebagai sinyal sebagai fungsi waktu ( S ( t ) ) . Sinyal tersebut kemudian didigitalkan . Deteksi linear mensyaratkan bahwa tingkat digitalisasi untuk sinyal minimal dua kali frekuensi tertinggi dalam sinyal . Faktor kedua adalah karena setengah dari sinyal harus dibuang untuk memungkinkan diskriminasi antara frekuensi positif dan negatif dalam sinyal 

Detektor analog Quadrature memisahkan keluar Mx 'dan My' sinyal yang datang dari kumparan RF. Untuk alasan ini dapat dianggap sebagai laboratorium untuk berputar kerangka acuan converter. Baik Mx 'dan My' sinyal digital menghasilkan sinyal kompleks sebagai fungsi waktu. Untuk alasan ini, tingkat digitalisasi hanya perlu sama dengan frekuensi terbesar dalam sinyal.

Inti satu detektor linier atau kuadratur analog adalah alat yang disebut mixer ganda seimbang (DBM). Mixer ganda seimbang memiliki dua input dan satu output. Jika sinyal input Cos (A) dan Cos (B), output akan menjadi 1/2 Cos (A + B) dan 1/2 Cos (AB). Untuk alasan ini, perangkat ini sering disebut detektor produk sejak produk Cos (A) dan Cos (B) adalah output. 

 

Detektor linier analog terdiri dari satu DBM, filter, dan penguat. Frekuensi referensi νo, frekuensi resonansi isocenter. Frekuensi ν dan νo yang dimasukkan ke dalam dan MX atau komponen MY dari magnetisasi transversal keluar

The quadrature detector typically contains two doubly balanced mixers, two filters, two amplifiers, and a 90o phase shifter. There are two inputs and two outputs on the device. Frequencies ν and νo are put in and the MX and MY components of the transverse magnetization come out. There are some potential problems which can occur with this device which will cause artifacts in the image. These will be addressed in the chapter on Image Artifacts. 

Frekuensi menengah dan digitalisasi biasanya 1 MHz, sehingga oversampling dan generasi terlalu banyak data yang akan mudah disimpan. Digital filtering menghilangkan komponen frekuensi tinggi dari data, dan desimasi mengurangi ukuran kumpulan data. Berikut ini flowchart merangkum efek dari tiga langkah dengan menunjukkan hasil dari melakukan sebuah FT setelah setiap langkah.

Sebuah pemeriksaan lebih dekat dari oversampling, digital penyaringan, dan desimasi bisa mengungkapkan bagaimana kombinasi langkah dapat digunakan untuk mengurangi seluruh masalah.

Oversampling

Oversampling adalah digitalisasi sinyal domain waktu pada frekuensi yang jauh lebih besar dari yang diperlukan untuk merekam bidang yang diinginkan . Sebagai contoh, jika frekuensi sampling, fs, meningkat dengan faktor 10, bidang pandang akan 10 kali lebih besar, sehingga menghilangkan membungkus. Sayangnya digitalisasi pada 10 kali kecepatan juga meningkatkan jumlah data mentah dengan faktor 10, sehingga meningkatkan persyaratan penyimpanan dan waktu pemrosesan.  Digital Filtering
Penyaringan adalah penghapusan frekuensi dari sinyal. Untuk contoh penyaringan, mempertimbangkan sinyal frekuensi domain berikut. Frekuensi di atas fo bisa dihapus dari ini sinyal domain frekuensi dengan mengalikan sinyal oleh fungsi ini persegi panjang. Pada MRI, langkah ini akan setara dengan mengambil gambar FOV besar dan pengaturan intensitas nol mereka piksel lebih besar dari jarak tertentu dari isocenter.

desimasi
Desimasi adalah penghapusan titik data dari set data. Sebuah rasio penipisan 4/5 berarti bahwa 4 dari setiap 5 poin data akan dihapus, atau setiap titik data yang kelima disimpan. Menebangi data disaring digital di atas, diikuti dengan Transformasi Fourier, akan mengurangi data yang ditetapkan oleh faktor lima.
 

Digitizers kecepatan tinggi, mampu digitalisasi pada 2 MHz, dan berdedikasi kecepatan tinggi sirkuit terpadu, mampu melakukan konvolusi pada data domain waktu itu sedang direkam, digunakan untuk mewujudkan prosedur ini.

sumber :http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/chap-9/chap-9.htm