Samenvatting
Samenvatting MRI
Samenvatting van het gedeelte over MRI van het vak Neuro-Imaging, boek "MRI In Practice", voor de masteropleiding Klinische Neuropsychologie aan de VU.
[Meer zien]Voorbeeld 4 van de 32 pagina's
Voorbeeld 4 van de 32 pagina's
In winkelwagengesponsord bericht van onze partner
Gekoppeld boek
Titel boek:
Auteur(s):
- Uitgave:
- ISBN:
- Druk:
Voorbeeld van de inhoud
1Samenvatting Neuro-Imaging
Boek MRI In Practice (Westbrook & Talbot)
Hoofdstuk 1, 2, 5, 9 en 10
Check website: www.wiley.com/go/westbrook/mriinpractice
Hoofdstuk 1 Basisprincipes
Klassieke theorie van MRI (Newtonian theory): mechanische kijk op hoe universum (e.g. MRI) werkt, MRI uitgelegd aan
de hand van massa-, draai- en impulsmomentum ( algemener)
Kwantumtheorie van MRI (Einstein): kijkt op een veel kleiner niveau (subatomisch) naar energieniveaus van protonen,
neutronen en elektronen ( gedetailleerder)
Atomische structuur
Alles bestaat uit atomen, die deel uit maken van moleculen (= twee of meer atomen samen). Het meest voorkomende atoom
in het menselijk lichaam is waterstof (maar ook zuurstof, koolstof en stikstof). Waterstof zit voornamelijk in watermoleculen
(tezamen met zuurstof, H2O) en vet (tezamen met koolstof en zuurstof; veel verschillende soorten).
- Atoom: heeft kern en elektronen die daaromheen draaien (zie figuur 1.1, blz. 3) in kern zit de gehele massa van het
atoom, bestaande uit nucleonen die worden onderverdeeld in: protonen en neutronen
1. Atomisch nummer: som van alle protonen in de kern (geeft het atoom zijn chemische identiteit)
2. Massa nummer/atomisch gewicht: som van alle protonen en neutronen in de kern
> Het aantal neutronen en protonen is meestal in balans, zodat het massanummer altijd een even getal is
> In sommige atomen zijn er meer of minder neutronen dan protonen
> Atomen met elementen met hetzelfde aantal protonen maar een ander aantal neutronen worden isotopen genoemd
- Elektronen: draaien om atomen heen, positie is niet te voorspellen want dit hangt af van de energie van een individueel
elektron op een specifiek moment (Heisenberg’s Uncertainty Principle)
- Sommige deeltjes in atomen zijn elektrisch geladen: protonen zijn positief geladen, neutronen hebben geen lading en
elektronen zijn negatief geladen.
> Atoom is elektrisch stabiel als aantal protonen gelijk is aan aantal elektronen dit kun je veranderen door d.m.v. energie
elektronen uit het atoom te halen, waardoor het atoom elektrisch instabiel is geworden: dit heten ionen en dit proces heet
ionisatie
Beweging in het atoom
Drie soorten bewegingen in het atoom (‘spin’):
1. Elektronen draaien om hun eigen as
2. Elektronen draaien om de kern (orbit)
3. Kern draait om zijn eigen as
Het principe MRI baseert zich op het draaien van bepaalde kernen in bepaald biologisch weefsel.
- Kern heeft geen draaiing als het een even atomisch- en massanummer heeft (bijv. 6 protonen en 6 neutronen, massanummer
12)
- In kernen met een even massanummer (door een even aantal protonen en neutronen), draait de helft van de kern in de ene
richting en de andere helft in de andere richting de draaikracht cijfert zichzelf hierdoor weg, en heeft de kern geen netto
draaiing
- In kernen met een oneven aantal protonen, neutronen of een oneven aantal van protonen en neuronen, is de draairichting
niet gelijk en tegenovergesteld, waardoor de kern nu wel zelf een netto draaiing heeft, genaamd een impulsmomentum
(angular momentum) dit zijn meestal kernen met een oneven aantal protonen (oneven atomisch nummer: zorgt voor
decimale integrale waarden, ½ etc.), maar het komt ook voor in kernen met een oneven aantal protonen en neutronen (wat
leidt tot een even massa aantal: zorgt voor hele integrale waarden, 1 etc.).
- In MRI, worden alleen kernen met een oneven massanummer of atomisch gewicht gebruikt: dit zijn MR-actieve kernen
Zie leertip op blz. 4
MR-actieve kernen
MR-actieve kernen kenmerken zich door hun neiging om hun rotatie-as op één lijn te plaatsen met een magnetisch veld:
- Komt doordat deze kernen een angular momentum hebben en elektrisch geladen zijn (doordat ze positief geladen protonen
bevatten)
- Faraday’s Law: een bewegend elektrisch veld produceert een magnetisch veld (en vice versa) deze kernen hebben een
netto lading (elektrisch veld) en een draaiing (beweging), waardoor ze automatisch een magnetisch veld verkrijgen
> Dit magnetische veld wordt aangeduid met magnetisch moment: het magnetisch moment van elke kern heeft
vectoreigenschappen (het heeft grootte en richting)
> Totale magnetisch moment van een kern is de vectorsom van alle magnetische momenten van protonen in de kern
Voorbeelden van MR-actieve kernen (samen met hun massanummer):
- 1H (waterstof) - 13C (koolstof) - 15N (stikstof) - 17O (zuurstof) - 19F (fluorine) - 23Na (natrium)
Zie tabel 1.1, blz. 5
De waterstofkern
Het isotoop protium van waterstof wordt het meest gebruikt als MR-actieve kern in MRI.
, 2
- Protium heeft massa- en atomisch nummer 1 (kern heeft 1 proton, geen neutronen)
- Gebruikt omdat mens veel waterstof bevat en doordat het magnetisch moment groot is (maar 1 proton)
- Dit betekent allemaal dat: de maximale beschikbare hoeveelheid magnetisatie in het lichaam wordt gebruikt
- Protium kern bevat 1 positief geladen proton wat draait (dus het beweeg en is elektrisch geladen) kern heeft dus een
magnetisch veld rondom en is dus een klein magneetje
- Magneet van elke waterstofkern heeft een even sterke noord- en zuidpool
- Noord-/zuid as van elke kern is een magnetisch moment (klassieke theorie): weergegeven door een pijl, waarvan de lengte
staat voor de grootte van het magnetisch moment/sterkte van het magnetische veld rondom de kern en de richting staat voor
de richting van het magnetisch moment
Zie figuur 1.2, blz. 5 en leertip + tabel 1.2 op blz. 6
Positionering (alignment)
In afwezigheid van een aangebracht magnetisch veld, zijn de magnetische momenten van waterstof willekeurig georiënteerd
en produceren ze geen magnetisch effect. Wanneer ze in een sterk statisch extern magnetisch veld worden geplaatst, gaan de
magnetische momenten van waterstof kernen in de richting van dit magnetisch veld staan. Dit heet alignment: zie figuur 1.3,
blz. 6
Klassieke theorie gebruikt de richting van magnetische momenten van spins (waterstof kernen) om positionering te
illustreren:
- Parallelle positie: opstelling van magnetische momenten in dezelfde richting als het hoofdveld B 0 (ook wel spin up
genoemd)
- Anti-parallelle positie: opstelling van magnetische momenten in de tegenovergestelde richting van het hoofdveld B 0 (ook
wel spin down genoemd)
> Na positionering zijn er altijd meer parallel gepositioneerde spins dan anti-parallelle spins
> Het netto magnetisme van de patient (netto magnetische vector, NMV) is daarom parallel aan het hoofdveld B0 in het
longitudinale vlak (z-as)
Zie leertip op blz. 6
Kwantumtheorie gebruikt het energieniveau van spins (waterstof kernen) om positionering te illustreren:
- Protonen van waterstof kernen koppelen met externe magnetische veld B 0 (Zeeman interactie genoemd) en veroorzaken zo
een aantal energietoestanden. Waterstof kernen hebben twee mogelijke energietoestanden (zie figuur 1.4, blz. 8):
1. Lage energie kernen: hebben niet genoeg energie om het hoofdveld B0 tegen te werken (witte pijl in figuur); deze kernen
positioneren hun magnetische momenten parallel (spin up) met hoofdveld B 0 (blauw in figuur)
2. Hoge energie kernen: hebben genoeg energie om hoofdveld B0 tegen te werken; deze kernen positioneren hun
magnetische momenten anti-parallel (spin down) met hoofdveld B 0 (rood in figuur)
- Kwantumtheorie verklaart waarom waterstof kernen slechts twee energietoestanden kennen (dus ofwel parallel ofwel anti-
parallel gepositioneerd kunnen zijn)
- Aantal spins per energietoestand kun je voorspellen a.d.h.v. de Boltzmann formule
- Het verschil in energie tussen de twee toestanden is proportioneel aan de kracht van het externe magnetische veld B 0
- Als B0 groter wordt, wordt het verschil tussen de twee toestanden ook groter en dus hebben kernen dan meer energie nodig
om hun magnetische momenten tegenovergesteld aan het hoofdveld te positioneren
- Patient’s temperatuur is belangrijke factor om te bepalen of een spin hoge of lage energie heeft
- In klinische imaging worden thermale effecten niet echt bekeken, omdat de temperatuur van een patient hetzelfde is binnen
en buiten het magnetische veld (dit heet het thermale equilibrium)
Zie leertip op blz. 8
Netto magnetische vector (NVM)
Magnetische momenten van waterstofspins veranderen constant hun oriëntatie omdat ze altijd bewegen tussen een hoge- en
lage energietoestand. In het thermale equilibrium zijn er altijd een groter aantal spins met hun magnetische momenten in
dezelfde richting als B0 georiënteerd dan in een tegenovergestelde richting: hierom is er dus altijd een kleine meerderheid in
de parallelle richting die een netto magnetisch moment veroorzaken (zie figuur 1.5, blz. 9).
Dit wordt de netto magnetische vector genoemd: de relatieve balans tussen spin-up en spin-down kernen – het is de som
van alle magnetische momenten van de overgebleven spin-up kernen: dit is meetbaar (in microtesla) en het oriënteert zich in
dezelfde richting als het hoofd magnetische veld in de z-as.
Tesla is dus de eenheid waarin je de kracht van het magnetische veld uitdrukt.
Hoe veel spins er in die kleine meerderheid zitten, hangt af van het aantal moleculen per gram weefsel en de kracht van B 0.
- Avogrado’s Law: er zitten 6 x 1023 moleculen in een gram weefsel en het aantal overtollige spins is ongeveer 6 x 10 17 per
gram weefsel
- In thermale equilibrium bepaalt ook de kracht van het externe veld de relatieve hoeveelheid van spin-up i.v.h.t. spin-down,
omdat dit ook het verschil in energieniveaus tussen de twee toestanden bepaald
- Hoe groter het externe magnetische veld, hoe meer magnetische momenten zich parallel oriënteren omdat de hoeveelheid
energie die spins moeten bezitten om hun magnetische veld in tegenovergestelde richting te krijgen, steeds groter wordt: dus
hoe groter het veld, hoe minder spins in anti-parallelle positie staan.
Hierdoor groeit de populatie in een lage energietoestand en krimpt de populatie in de hoge energietoestand: hierom wordt
het aantal overtollige spins groter
> Bij 1.5T (Tesla) is het aantal overtollige spins ongeveer 4.5 voor elk miljoen aan protonen
, 3
> Bij 3T is dit al ongeveer 10 per miljoen
> De NMV wordt hierdoor ook groter en dit is een van de redenen dat de signal-to-noise ratio (SNR) groter wordt bij sterkere
magnetische velden
Zie tabel 1.3, blz. 10
Precessie en precessionele (Larmor) frequentie
- Elke waterstofkern spint rond zijn as (zie figuur 1.6, blz. 11)
- Het veld B0 zorgt ervoor dat er nog een spin/draaiing plaatsvindt van de magnetische momenten van waterstof rond B 0: deze
tweede vorm van draaiing heet precessie (de magnetische momenten draaien rondom B0) [denk aan een tol]
- Het pad wat zij volgen heet het precessionele pad en de snelheid waarmee ze draaien rondom B0 heet de precessionele
frequentie – deze frequentie wordt ook vaak de Larmor frequentie genoemd
> De eenheid van precessionele frequentie is in Hertz (1 Hz = 1 rotatie per seconde)
> De magnetische momenten van alle spin-up en spin-down kernen draaien (precess) rondom B0 in een precessioneel pad met
een bepaalde Larmor frequentie, bepaald door B0
Zie figuur 1.7, blz. 11
De gyromagnetische ratio is de relatie tussen angular momentum en magnetische momentum van elke MR-actieve kern. Dit
is constant en wordt uitgedrukt in de precessionele frequentie van het magnetische moment van een specifieke MR-actieve
kern met 1T.
> De eenheid van de gyromagnetische ratio is in MHz/T
> De gyromagnetische ratio van waterstof is 42.58 MHz/T
> Andere MR-actieve kernen hebben weer andere gyromagnetische ratio’s, dus hun magnetische momenten hebben andere
precessionele frequenties in dezelfde veldsterkte (zie tabel 1.4, blz. 12)
De precessionele frequentie hangt af van de sterkte van het magnetische veld (bijvoorbeeld: bij een kracht van 1.5T, is de
precessionele frequentie van waterstof 42.58x1.5=63.87 MHz)
Deze frequenties vallen allemaal binnen de radiofrequentie (RF) van het elektromagnetische spectrum
Zie figuur 1.8, blz. 12 en de leertip op blz. 13
Precessionele fase
Fase: de positie van magnetische momenten in hun precessionele pad op elk moment in de tijd
- Fase wordt gemeten in radialen
- Een magnetisch moment legt 360 graden af gedurende 1 rotatie: de frequentie is in deze context een meting van hoe snel de
fasepositie van magnetische momenten veranderd over tijd
- In MRI zijn de relatieve fase posities van alle magnetische momenten van waterstof belangrijk
Uit fase zijn (incoherent) betekent dat magnetische momenten van waterstof allemaal op verschillende plekken in hun
precessionele pad zijn (ze draaien dus allemaal verschillende kanten uit)
In fase zijn (coherent) betekent dat de magnetische momenten van waterstof allemaal op dezelfde plek in hun
precessionele pad zijn (ze draaien allemaal op dezelfde manier)
Als B0 de enige invloed is, zijn de magnetische momenten van de kernen allemaal uit fase met elkaar, en is er dus geen sprake
van precessie in de NMV.
Zie tabel 1.5, blz. 13
Resonantie
Resonantie is een fenomeen dat voorkomt als een object blootgesteld wordt aan een oscillerende verstoring (perturbatie) die
een frequentie heeft die dicht bij de eigen, natuurlijke frequentie van oscilleren ligt.
- Als een kern wordt blootgesteld aan een externe kracht die oscilleert op een wijze die lijkt op zijn eigen magnetische
moment (Larmor frequentie), krijgt de kern energie van deze externe kracht.
- Als de kracht niet op dezelfde frequentie als de Larmor frequentie zit, levert deze geen energie aan de kern (géén
resonantie)
- Als magnetische momenten van waterstofkernen precessie hebben in de RF-band van het elektromagnetische spectrum,
moet er voor resonantie een RF puls van energie toegepast worden op de Larmor frequentie van waterstof
Andere MR-actieve kernen (die ook parallel staan aan B 0) zullen niet resoneren, omdat de precessionele frequentie van
deze magnetische momenten anders zijn dan die van waterstof (omdat hun gyromagnetische ratio’s anders zijn)
Resonantie vindt plaats door het toedienen van een RF excitatie puls: dit wordt geproduceerd door een transmitter coil
- Deze puls bestaat uit elektrische en magnetische velden die zich in golven van 90 graden ten opzichte van elkaar
verspreiden.
- Deze golven hebben een frequentie binnen de RF-band van het elektromagnetische spectrum
- De RF excitatie puls wordt verkregen uit alleen het magnetische component (het elektrische veld zorgt voor hitte) + het
produceert een oscillerend magnetisch veld (niet zoals B0, wat stationair is) en wordt daarom B1 genoemd
- B1 wordt toegepast op 90 graden van B0 binnen een nauw bereik of bandbreedte van frequenties gecentreerd rond de
centrale frequentie (de transmitter bandbreedte)
- Het magnetische veld van de RF excitatie puls B1 is erg zwak i.v.m. het grote externe veld B0
, 4
Het resultaat van resonantie – volgens de klassieke theorie
In het perspectief van de klassieke theorie zorgt toepassing van het B 1 veld haaks op B0 (90 graden: genaamd het
transversale vak of de x-y-as) ervoor dat magnetische momenten van de spins draaien (precess) rondom deze as [en dus niet
rondom het longitudinale vlak/z-as)
- Precessionele frequentie is proportioneel aan de kracht van het veld
- Het magnetische veld B1 (RF excitatie puls) is zwak, dus draaien (precess) de magnetische momenten van spins met een
veel lagere frequentie dan wanneer ze in het longitudinale vlak zijn gepositioneerd en dus het B 0 ervaren (wat veel krachtiger
is)
- De overgang zorgt ervoor dat er een spiraalbeweging ontstaat: neerwaarts van de NMV van het longitudinale naar het
transversale vlak deze spiraalbeweging heet nutatie en wordt veroorzaakt door twee precessionele bewegingen die
gelijktijdig plaatsvinden: precessie rondom B0 en precessie rondom B1
De RF excitatie puls zorgt er ook voor dat magnetische momenten van de spin-up en spin-down kernen in fase raken met
elkaar. Als resonantie plaatsvindt, bewegen alle magnetische momenten zich in dezelfde positie in het precessionele pad en
zijn dus in fase (zie figuur 1.9, blz. 15).
Het resultaat van resonantie – volgens de kwantumtheorie
Toepassing van een RF puls die resonantie veroorzaakt heet excitatie (het ‘geeft energie’).
- De RF excitatie puls geeft energie aan de waterstofkern en veroorzaakt een netto toename in het aantal spin-down kernen in
hoge energietoestand (zie figuur 1.10, blz. 16).
> Dit komt doordat de spin-up (lage energietoestand) kernen de RF excitatie puls energie absorberen en zo in de hoge
energietoestand terecht komen!
- Tegelijkertijd worden de spin-down (hoge energietoestand) kernen gestimuleerd om hun energie af te geven, en keren dus
terug naar een lage energietoestand
> Er zijn echter meer lage energietoestand spins, dus het netto effect is uiteindelijk energie absorptie
Lees de leertip op blz. 15
Als de juiste hoeveelheid energie wordt opgenomen, ligt de NMV in het transversale plak op 90 graden van B 0. Dit betekent
dat het een flip of tip hoek van 90 graden heeft bewogen (figuur 1.10).
De energie en frequentie van elektromagnetische straling (inclusief RF) zijn gerelateerd aan elkaar; de frequentie die nodig is
om resonantie te veroorzaken, is gerelateerd aan het verschil in energie tussen de lage- en hoge energie populaties en dus de
kracht van B0. Hoe sterker het magnetisch veld, hoe groter het verschil in energie tussen de twee populaties moet zijn zodat er
meer energie (hogere frequenties) nodig zijn om resonantie te veroorzaken.
Lees de leertips + de “watch analogy” op blz. 17 en 18
MR Signaal
In-fase magnetisatie draait (precess) in het transversale vlak omdat er sprake is van resonantie. Dit veranderlijke magnetische
veld wekt een elektrische stroom op. De verandering van magnetische vloeiing door een gesloten circuit veroorzaakt een
elektromotorische kracht (emf) in het circuit.
- Emf = de energie die beschikbaar is uit een eenheid van lading die eenmalig een loop doorloopt in een spoeldraad
- De emf stuurt stroom in het circuit en dit komt doordat het veranderende magnetische veld een elektrisch veld doet ontstaan
De wetten van elektromagnetische inductie (Faraday) stellen dat de voortgebrachte emf:
1) proportioneel is aan de snelheid van verandering van het magnetische veld en het circuit
2) proportioneel is aan het aantal bochten in een coil van draad
3) in een richting is die ervoor zorgt dat het de verandering in het magnetische veld wat het veroorzaakt, tegenwerkt (Lenz’s
law)
Faraday’s law: een veranderend magnetisch veld veroorzaakt beweging in geladen deeltjes (elektronen)
- Deze beweging is een stroom
- Als een ontvangende coil of welke geleidende loop dan ook wordt geplaatst in een bewegend magnetisch veld (de
magnetisatie precesseert in het transversale vlak), wordt er door deze stroom een voltage geïnduceerd in de coil
Dit voltage heet signaal en wordt geproduceerd als er in-fase (coherente) magnetisatie door de coil heen snijdt/loopt
Frequentie van signaal hangt af van de frequentie van rotatie van het magnetische veld
Grootte van signaal hangt af van het aantal coherente magnetisatie in het transversale vlak
Zie figuur 1.12, blz. 20
Het “Free Induction Decay” (FID) signaal
Als de RF excitatie puls uitgeschakeld is, wordt de NMV alleen beïnvloedt door B 0 en probeert deze zich hiermee uit te
lijnen.
- Voor dit uitlijnen, moeten waterstofkernen energie verliezen (die zij hebben gekregen uit de RF excitatie puls)
- Dit proces (van verlies van energie van waterstofkernen) heet relaxatie
Gedurende relaxatie:
- NMV keert terug in positie met B0 omdat bepaalde hoog-energie kernen terugkeren naar de lage energietoestand en dus hun
magnetische momenten weer in de spin-up richting zetten
Voordelen van het kopen van samenvattingen bij Stuvia op een rij:
Verzekerd van kwaliteit door reviews
Stuvia-klanten hebben meer dan 700.000 samenvattingen beoordeeld. Zo weet je zeker dat je de beste documenten koopt!
Snel en makkelijk kopen
Je betaalt supersnel en eenmalig met iDeal, creditcard of Stuvia-tegoed voor de samenvatting. Zonder lidmaatschap.
Focus op de essentie
Samenvattingen worden geschreven voor en door anderen. Daarom zijn de samenvattingen altijd betrouwbaar en actueel. Zo kom je snel tot de kern!
Veelgestelde vragen
Wat krijg ik als ik dit document koop?
Je krijgt een PDF, die direct beschikbaar is na je aankoop. Het gekochte document is altijd, overal en oneindig toegankelijk via je profiel.
Tevredenheidsgarantie: hoe werkt dat?
Onze tevredenheidsgarantie zorgt ervoor dat je altijd een studiedocument vindt dat goed bij je past. Je vult een formulier in en onze klantenservice regelt de rest.
Van wie koop ik deze samenvatting?
Stuvia is een marktplaats, je koop dit document dus niet van ons, maar van verkoper MilaStoop. Stuvia faciliteert de betaling aan de verkoper.
Zit ik meteen vast aan een abonnement?
Nee, je koopt alleen deze samenvatting voor €7,49. Je zit daarna nergens aan vast.
Is Stuvia te vertrouwen?
4,6 sterren op Google & Trustpilot (+1000 reviews)
Afgelopen 30 dagen zijn er 56326 samenvattingen verkocht
Opgericht in 2010, al 14 jaar dé plek om samenvattingen te kopen