H1: MRI
INLEIDING
Binnen het bio-imaging lab wordt niet enkel op klassieke muizen getest maar ook op ratten en zangvogels.
Zangvogels zijn een model voor hersenplasticiteit en voor humane spraak.
Medische beeldvorming = tools die in de kliniek gebruikt worden om een diagnose aan te leveren. In de kliniek
werd de laatste jaren steeds meer en meer gebruik gemaakt van niet-invasieve technieken, hiermee krijg je
informatie zonder te moeten knippen/snijden in de patiënt. Dit kan aan de hand van biomedische beeldvorming
waarbij de technieken (meestal) gebaseerd zijn op EM-golven:
- X-stralen (RX): longonderzoeken, platen nemen bij een breuk
- CT-scan (computerized tomography): m.b.v. RX stralen worden beelden met een hoge resolutie
aangeleverd als virtuele coupes doorheen de patiënt, brengt vnl. het skelet heel goed in beeld
- Radiogolven: magnetische resonantiebeeldvorming
- Gamma straling: nucleiare beeldvorming
* PET: positron emission tomography
* SPECT: single photon emission computed tomography
- Technieken die niet gebaseerd zijn op EM-golven: ultrasound , maakt gebruik van geluidsgolven bij
bvb. Het nemen van een echo bij de zwangerschap
Spectrum van EM-golven
Beeldvorming die gebruik maakt van de laagste energie/frequentie (kleiner dan 10-5) is het minst schadelijk, dit
is MRI. MRI is dus het minst schadelijk want er worden geen ioniserende stralen gebruikt. Microgolven, IR,
zichtbaar licht, UV licht, X-stralen zijn de middenmoot. De gamma stralen zijn het meest schadelijk, dit zijn dus
de PET en SPECT.
Niet-invasieve beeldvorming in de kliniek
Soms wordt er in de kliniek gebruik gemaakt van bepaalde combinaties zoals PET/CT, SPECT,CT, PET/MRI. Dit
komt doordat PET en SPECT moleculaire methoden zijn waarbij een molecule geïnjecteerd wordt bij de patiënt.
Nadien gaat men kijken waar het molecule in het lichaam terug te vinden is. Om te weten waar in het lichaam
de molecule zich bevindt, hanteert men complementaire methoden zoals CT of MRI om toch informatie te
bekomen over regio’s in het lichaam waar men de moleculaire beeldvorming uitvoert.
Tomografie = virtuele (dus niet-invasieve) 2D coupes maken doorheen een 3D object.
1
,Niet-invasieve beeldvorming in biomedisch onderzoek
= miniatuur beeldvormingstoestellen van in de kliniek die gebruikt worden voor het onderzoeken van
proefdieren.
Beeldvormingstechnieken: micro-ultrasound-echografie, micro-CT, micro-MRI, micro-PET, micro-PET/CT, micro-
SPECT/CT, micro-PECT/MRI.
Belangrijk bij het onderzoeken van proefdieren: wanneer je het proefdier op het bed plaatst in de tunnel, moet
het dier verdooft zijn want een dier blijft niet stil liggen. Hierdoor moet het proefdier beademd worden en moet
constant de temperatuur, ademhaling etc. gemonitord worden om ervoor te zorgen dat het roefdier te
technieken overleeft.
MRI = MAGNETISCHE RESONANTIE BEELDVORMING
BEELDVORMINGSTECHNIEK
Dit toestel kan je onderscheiden met andere beeldvormingstechnieken doordat er bij een MRI steeds een klein
toestel (= radiofrequente antenne) rond de plaats of regio in het lichaam wordt geplaatst waarvan je een beeld
wilt vormen.
Magnetische resonantie beeldvorming maakt gebruik van een heel groot magneetveld, nl. van 1-3 Tesla in de
kliniek en 7/9.4 Tesla bij proefdieren.
- aard magnetisch veld: 0.5 Gauss
- 1 Tesla = 10.000 Gauss
- groter magnetisch veld bij proefdieren doordat we een grote resolutie nodig hebben van de beelden omdat
proefdieren kleiner zijn dan mensen
NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING
Eigenlijk is MRI = NMRI maar deze term wordt in de kliniek niet veel gebruikt omdat de term ‘nucleair’ de
patiënten enorm afschrikt. De term nucleair is echter helemaal onschuldig want deze is afkomstig van het woord
kern.
Elk atoom bestaat uit een kern en elektronen. Elke kern bevat protonen en neutronen die een spin hebben, ze
gaan roteren in een bepaalde richting. Indien er een lading op het deeltje zit, zoals bij een proton, resulteert de
rotatie van het geladen deeltje in een magnetisch veld.
- Proton + neutron: heffen elkaars spin op waardoor geen magnetisch veld wordt gegenereerd
- H-atoom, enkel een proton: magnetisch veld wordt gegenereerd
➔ Groepen van spins gaan elkaar opheffen dus enkel atomen die een oneven aantal protonen of
neutronen hebbe, zullen een netto spin hebben.
Atomen in het menselijk lichaam
Atoom Kerngetal: aantal Netto spin Biologische abundantie
protonen/neutronen
Waterstof 1H ½ 0.63
2H 1
Koolstof 13C ½ 0.094
Stikstof 14N 1
Natrium 23Na 3/2 0.00041
Fosfor 31P ½ 0.0024
Fluor 19F ½
2
,In de tabel worden alle kernen weergegeven die kunnen gebruikt worden bij NMR. Als we kijken naar de
biologische abundantie (percentage van de atomen die je terugvindt in een levend wezen), zien we dat waterstof
voor 63% voorkomt in het lichaam terwijl alle andere atomen slechts in zeer kleine concentraties voorkomen.
Hierdoor wordt in de beeldvorming bijna uitsluitend gebruik gemaakt van waterstof.
C-12 en o-16 zijn andere belangrijke biologische moleculen die in ons lichaam voorkomen maar deze kunnen niet
gebruikt worden voor NMR omdat ze bij deze techniek niet zichtbaar zullen zijn.
Spinning nucleus
Bij MRI beeldvorming zijn we enkel geïnteresseerd in een spinning nucleus die een positieve lading heeft
waardoor deze door de spinning een elektrische stroom zal genereren. Met deze stroom wordt er een soort
magnetisch moment (µ) gecreëerd Elk proton in ons lichaam gedraagt zich dus als een klein magneetje.
Wanneer je een mens in een magnetisch veld brengt, gaan de protonen zich voornamelijk oriënteren in de
richting van het magnetisch veld (up-state). Sommige protonen zullen zich oriënteren in de tegenovergestelde
richting (down-state).
➔ In een magnetisch veld gaan protonen vooral in de up-state aanwezig zijn maar ook een aantal in
down-state. In down-state hebben de protonen een hogere energietoestand.
De protonen staan niet stil maar precesseren, ze maken een magnetisch moment en spinnen rond hun as. De
frequentie waarmee ze spinnen is de Larmor frequentie. Deze frequentie wordt bepaald door het magnetisch
veld waarin de protonen gebracht worden.
➔ Elke magneet met een andere veldsterkte gaat een andere resonantiefrequentie hebben.
Larmorfrequentie: F= ᵞ x Bo
Bij MRI wordt er een radiofrequente antenne rond het onderdeel dat men wilt beeldvormen geplaatst. Deze
maakt gebruik van de resonantiefrequentie/Larmor frequentie. Men stuurt met de radiofrequente antenne
golven in met de Larmor frequentie. Op deze manier kunnen meer protonen van de lage energie toestand (up-
spin) in de hoge energie toestand (down-spin) gebracht worden. Hierdoor wordt de netto longitudinale spin Mz
3
,vernietigd en wordt er een transversale magnetisatie Mxy gecreëerd die opgepikt kan orden als het MRI signaal
in een RF antenne.
T1 EN T2 CONTRAST
Een RF antenne dient zowel voor het uitsturen als het ontvangen van EM signalen. De tijd tussen twee
opeenvolgende RF pulsen die worden uitgestuurd noemt men de repetitietijd (TR). De tijd tussen RF instralen en
he ontvangen van het signaal van de transversale magnetische afname is de echotijd (TE).
Het stoppen van de RF instraling veroorzaakt:
- defasering van spins door spin-spin interacties (afstoten spins onderling) waardoor transversale magnetisatie
Mxy geleidelijk verloren gaat
→ T2 relaxatie, dit heeft niets met energie te maken
- hoge energetische spins terug klappen naar laag energetische en longitudinale magnetisatie Mz hersteld
wordt
→ T1 relaxatie waarbij energie naar het weefsel gaat
T2 en T1 zijn verschillend in verschillende weefsels. Door de TR en TE van opeenvolgende RF pulsen juist te kiezen
kan je contrast van het beeld eerder T1 of T2 gewogen zijn. Dergelijke opeenvolgingen noemt men een RF puls
sequentie.
T2 contrast maximaliseren kan door:
- het T1 verschil tussen vet en water zo klein
mogelijk te maken door langere TR te gebruiken
- het T2 verschil tussen vet en water zo groot
mogelijk te maken door een korte TE te
gebruiken
T1 contrast maximaliseren kan door:
- het T1 verschil tussen vet en water zo
groot mogelijk te maken door korte TR
te gebruik
- het T2 verschil tussen vet en water zo
klein mogelijk te maken door een lange
TE te gebruiken
4
, Contrast mechanisme: proton densiteit
Uit de densiteit van waterstofatomen aanwezig in weefsels kan men niet zo veel informatie halen. Sommige
weefsels bevatten veel water, andere weefsels minder. Maar de huid bestaat voor 72% uit water, spieren voor
75% en skelet-/vetweefsel voor 60-80% uit water. Deze verschillen zijn te klein om een contrast te kunnen
bekomen o.b.v. de densiteit van de H-atomen. Dus dit contrastmechanisme is niet zo waardevol.
Spin echo image contrast
Een beter contrastmechanisme is het spin echo image contrast. Hierbij zijn beelden T1 of T2 gewogen. Deze
weging is te zien als een grijsschaal van intens naar donker:
- T1 gewogen beeld: vooral het vetweefsel heeft een lichtere kleur
- T2 gewogen beeld: vooral het cerebrospinaal vocht (CSF) in de ventrikels heeft een lichtere kleur
Als we de hersenen bekijken zien we dat de ventrikels heel sterk opgelicht zijn in een T2 gewogen beeld. In een
T1 gewogen beeld zal de grijze tof donkerder zijn dan de witte stof, dit komt doordat de witte stof myeline bevat
wat vetweefsel is. Hierdoor is de witte stof dus lichter.
Als we de 2 beelden bekijken en met elkaar vergelijken kan je zo zeggen dat het rechtse beeld een T2 gewogen
beeld is en het linkse beeld een T1 gewogen beeld. (Het contrast moet je kunnen herkennen op een beeld!)
BEELDEN: RUIMTELIJKE INFORMATIE
Hoe weten we waar het contrast in de hersenen zich afspeelt?
- De ruimtelijke lokalisatie van het signaal is gebaseerd op het creëren van magnetische gradiënten in X,
Y en Z richting en het feit dat de Larmor frequentie door het magnetisch veld bepaald wordt en voor
elke voxel van de matrix andere frequentie of fase gecreëerd wordt die ruimtelijk vastgelegd is.
→ door de Larmor frequentie (die afhankelijk is van de veldsterkte) te manipuleren kan je
bepalen waar een voxel gesitueerd is
- Gradiënt van magneetsterkte bv van 0.8T naar 1.2T in lengte as van de magneet (Z-as) laat toe adhv
bepaalde frequentie instraling een snede doorheen het lichaam te kiezen → snedecoderende gradiënt
- Kortstondig schakelen van gradiënt in de y-richting zal voxels in die snede een verschillende fase
bezorgen → fasecoderende gradiënt
- Schakelen van gradiënt in de x-richting ook tijdens opname bezorgt een andere frequentie per
faserichting (per rij) → frequentiecoderende gradiënt
- Hierdoor krijgt elke voxel unieke informatie die omgezet wordt in grijswaarden
5
