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MRI 簡介 磁共振影像的產生 - mrilab.org · •改變脈衝序列就可以了 ......
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MRI 簡介 :
磁共振影像的產生
鍾孝文 教授
台大電機系 三軍總醫院放射線部
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什麼是 MRI (磁振造影) ?
• M : magnetic 磁
• R : resonance 共振
• I : imaging 影像
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MRI 的產生
• 人體 = 磁鐵 ??
• 磁鐵運動 = 感應電流 ??
• 經過編碼與計算 = 影像 ??
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MRI 的產生
• 人體 = 磁鐵 ??
• 量子物理現象
• 如何強化人體磁性 ?
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“器官小磁鐵”
器官內的氫原子核酷似小磁鐵
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MRI 的產生
• 磁鐵運動 = 感應電流
• 類似發電機原理
• 如何迫使人體磁性產生運動 ?
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射頻激發
射頻線圈激發器官小磁鐵使之旋轉
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MRI 信號的偵測
磁生電 (法拉第定律)
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MRI 的產生
• 根據位置對信號作編碼
– Location-dependent signal
• 感應電流經過適當計算 = 影像
• 傅立葉轉換
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MRI 的產生
• 人體 = 磁鐵
• 磁鐵運動 = 感應電流
• 經過適當計算 = 影像
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什麼是 MRI (磁振造影) ?
• 磁 : 信號的來源
• 共振 : 激發偵測的原理
• 影像 : 信號轉為影像的方式
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MRI 的產生
• 人體 = 磁鐵
• 磁鐵運動 = 感應電流
• 經過適當計算 = 影像
• 人體磁鐵愈強,信號愈強 ?
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人體磁性強度的影響
顯然磁性愈強 信號也愈強
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MRI 的產生
• 人體 = 磁鐵
• 磁鐵運動 = 感應電流
• 經過適當計算 = 影像
• 這些功能需要些什麼設備 ?
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MRI 的儀器硬體
• 使人體變成磁鐵的設備
• 迫使磁鐵運動的設備
• 接收信號的設備
• 把信號轉為影像的設備
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MRI 的儀器硬體
• 使人體變成磁鐵 : 強磁場
• 迫使磁鐵運動 : 射頻線圈
• 接收信號的設備 : 射頻線圈
• 把信號編碼 : 梯度線圈
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磁共振影像儀 (MRI Systems)
GE Signa Horizon Siemens Magnetom
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MRI 的儀器硬體
• 使人體變成磁鐵 : 強磁場
• 迫使磁鐵運動 : 射頻線圈
• 接收信號的設備 : 射頻線圈
• 把信號編碼 : 梯度線圈
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射頻線圈 (RF Coils)
Head Coil Surface Coils
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不同線圈的影像比較
體線圈 頭部線圈 表面線圈
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MRI 的儀器硬體
• 使人體變成磁鐵 : 強磁場
• 迫使磁鐵運動 : 射頻線圈
• 接收信號的設備 : 射頻線圈
• 把信號編碼 : 梯度線圈
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MRI 的梯度線圈 (Gradient Coil)
z gradient coil
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MRI 主要儀器元件
Shim coils Gradient coils
RF coil
磁鐵
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儀器硬體的控制
• 當然是用電腦控制掃瞄過程 !
• 控制各線圈的 “開” “關” 時間
• 脈衝序列 (pulse sequence)
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MRI 脈衝序列 (Gradient Echo)
x 梯度線圈
y 梯度線圈
射頻線圈
z 梯度線圈
t
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t
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影像掃瞄如何加速 ?
• 適當控制各線圈的 “開” “關” 時
間
• 改變脈衝序列就可以了
• 在現有硬體的極限以內
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MRI 脈衝序列 (Gradient Echo)
x 梯度線圈
y 梯度線圈
射頻線圈
z 梯度線圈
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部分迴訊功能 (Fractional Echo)
x 梯度線圈
y 梯度線圈
射頻線圈
z 梯度線圈
t
t
t
t
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半傅立葉功能 (Half Fourier)
x 梯度線圈
y 梯度線圈
射頻線圈
z 梯度線圈
t
t
t
t
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實例
• GRE (梯度迴訊)
• FSE (快速自旋迴訊)
• Half Fourier (半傅立葉影像)
• EPI (面迴訊影像) ... (太多了)
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那麼看來 ...
• 只需要適當利用脈衝序列控制各線
圈,MRI 成像要快要慢隨心所欲
• 可是 ...
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腦部 MRI 的不同對比
PDWI T1WI T2WI
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MRI 影像的表現方式
• 質子密度 , T1 , T2 ...
• 既然成像原理都相同
為什麼影像明暗都不一樣 ?
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什麼是 MRI (磁振造影) ?
• 磁 : 信號的來源
• 共振 : 激發偵測的原理
... 少了一項 ?
• 影像 : 信號轉為影像的方式
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什麼是 MRI (磁振造影) ?
• 磁 : 信號的來源
• 共振 : 激發偵測的原理
• 偵測之前,信號所發生的變化
• 影像 : 信號轉為影像的方式
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組織磁性的 T2 衰減情形
時間
信號強度
磁鐵愈變愈小了 !
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TE 對 T2 對比的影響
TE = 30 TE = 90 TE = 150
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MRI 影像的對比
• 偵測之時的信號強弱,
直接影響影像對比
• 可不可以用人為方式
在偵測之前改變信號 ?
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MRI 影像對比的種類
• 質子密度 , T1 , T2 ...
• 血管攝影 ?
• 分子擴散影像 ?
• 不勝枚舉 !
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如何控制對比 ?
• 脈衝序列 (pulse sequence) !
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梯度迴訊 (GRE)
x 梯度線圈
y 梯度線圈
射頻線圈
z 梯度線圈
t
t
t
t
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梯度迴訊 (GRE) 加入反轉回復 (IR)
x 梯度線圈
y 梯度線圈
射頻線圈
z 梯度線圈
t
t
t
t
1800
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影像對比的產生實例
• IR (反轉回復)
• STIR (短 TI 反轉回復)
• FLAIR (腦脊髓液抑制反轉回復)
• MP (磁化準備)
• ... (太多了)
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T1、T2 弛緩現象 凸顯腫瘤病灶
良性神經膠質瘤 (low-grade glioma)
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多重硬化症 (Multiple Sclerosis)
Pre-Contrast Post-Contrast
reactivation
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水影像 及 脂肪影像
In-phase 水影像 脂肪影像
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選擇性壓制 CSF 信號 (FLAIR)
T1WI T2WI FLAIR
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3D Time-Of-Flight MRA
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血流流速量測 (上腔大靜脈 reversed flow)
SVC flow profile in one cardiac cycle
SVC flow
cardiac phase
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腦部動態微灌流影像 (perfusion)
動態影像系列 腦血量影像 (CBV)
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神經膠質瘤的 Perfusion MRI
F/U at 7 months
F/U at 1 year
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擴散影像用於缺血性中風
早至 2 小時左右即可能觀測到 infarct 區域
T2 影像 擴散權重影像
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Hyperacute 缺血性中風
5 小時 after symptom onset
T2 影像 擴散權重影像
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擴散現象的不等向性 (Anisotropy)
水分子順著纖維方向擴散最快
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典型擴散不等向性的影像表現
人腦影像 反映白質神經纖維方向性
b = 0 slice read phase
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心肌纖維 Tracking
纖維方向 (擴散張量影像)
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擴散張量 Fiber Tracking
Corpus callosum 白質神經纖維路徑
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老鼠腦部 T2* 影像
正常空氣 呼吸純氧
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視覺刺激時的 MR 信號改變
受刺激時信號增強
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視覺刺激所得的 T2* 影像
Kwong et al., PNAS 1992
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腦功能影像 (左耳聽覺刺激)
灰階 : 解剖位置 彩色 : 神經元活化區
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缺血性中風的 MR 化學位移影像
T1 影像 區域頻譜
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神經膠質瘤的 MR 化學位移影像
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神經膠質瘤的 NAA Map
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神經膠質瘤的 Choline Map
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腦部以外的應用呢 ?
• 那還用說,保證一大堆 !
• 腹腔、骨骼、心肺、胎兒、動物、
植物、礦物 …
• 就看怎麼發揮
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肝臟腫瘤 MR 影像
Pre Gd Arterial phase
VIBE MIP Portal venous phase
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膽道攝影 (MR Cholangiography)
原始 T2 TSE 影像 MIP (最大亮度投影)
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Contrast-Enhanced 3D Body MR 影像
腸道影像 關節影像
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心臟型態與功能 MR 影像
Morphology
Viability
Coronary arteries
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動態血管攝影
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胎兒腦部髓鞘化 (myelination) 的 MRI
2D TrueFISP (1 sec scan)
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胎兒腦部 in utero MRI 與 Histology
22 weeks gestation
Immature cortex
Intermediate zone
Row of migrating neurons
Germinal matrix
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植物 MR 影像
蔥 絲瓜
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植物 MR 影像
黃瓜 苦瓜
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Double Quantum Filter (?? 啥米碗糕 ?)
完全非傳統的 MRI contrast
Tendon in rat tail (highly structured collagen fibers)
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喂 ! 太多了吧 !
• 對不起,以後這些變化只會更多
• 型態 + 功能 + 代謝 = 綜合診斷
• “無放射性” 不是 MRI 的最重要優
點
• “多樣性資訊” 才是 !
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聽完 Fancy 的 MRI 之後 …
• 太棒了 ! 趕快拿來做研究 …
• 按完 Return,影像就出來了 ?
• 可惜天下沒有白吃的午餐
• 不然你們也不需要我來上課 …
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我的 MRI 機器出了什麼問題 ?
別人掃描這樣 ! 我掃描成這樣 ?
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我的 MRI 機器出了什麼問題 ?
別人掃描這樣 ! 我掃描成這樣 ?
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你不是告訴我成像可以加速嗎 ?
TSE T2WI EPI T2WI
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這和我有什麼關係 ?
• 我醫師負責診斷,照相沒我的事 ?
• 我放射師會操作機器就可以照相了 ?
• 我是研究生,只要做出論文就好 ?
• 我是外系的,只應用 MRI 做為工具 ?
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只是簡單的 Multi-Echo 而已呀 ?
1st 2nd 3rd 4th
燒杯內裝純水
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水影像 及 脂肪影像
In-phase 水影像 脂肪影像
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儀器不是有 Fat Suppression 功能嗎 ?
是機器的問題 ? 還是操作員的問題 ?
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選擇性壓制 CSF 信號 (FLAIR)
T1WI T2WI FLAIR
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那麼第四腦室的 FLAIR 怎麼說 ?
腦室內出血 ? 完全正常 ?
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3D Time-Of-Flight MRA
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有沒有 Stenosis ?
MRA XRA
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同樣是 MRA 呀
幾乎正常 ? 血管呢 ?
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腦功能影像 (左耳聽覺刺激)
灰階 : 解剖位置 彩色 : 神經元活化區
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到底哪一個 fMRI 才是對的 ?
操作員甲 操作員乙
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了不起 ! 腦脊髓液 (CSF) 也會思考 !
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神經膠質瘤的 Perfusion MRI 與 MRS
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同樣機器、同樣條件的 MRS
同一筆數據耶 ! 怎麼差異那麼大 ?
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您畢業後要走這行嗎 ?
• 您要走這行 ?
– 所有的困難您都會逐漸碰上
• 畢業後改行 ?
– 一學期要學通,更是困難
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MRI : 功能強大、難以精通
• 請各位不妨自問 :
– 實驗結果不是您自己的錯嗎 ?
– 您確定不需要好好學嗎 ?
• 我相信您需要再多學一些
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看看 MRI 發展的速度 (昨日與今日)
Brain MRI (1980 JCAT) 今日常見的 MRI
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MRI 的今日 (國內)
1.5 Tesla 腦功能影像 (左耳聽覺刺激)
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MRI 的今日 (國內 1.5 Tesla)
Cortical surface Cortical inflation
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MRI 的今日 (國內 1.5 T) : 大腦認知反應
professional amateur
corrected p-value 0.05 corrected p-value 0.05
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MRI 的今日 (國內) : 白質神經纖維走向
胼肢體
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MRI 不久後的未來 ?? (以 CSI 為例)
每一個影像的點都含多種多維頻譜及蛋白質結構
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MRI 不久後的未來 ?? (以 CSI 為例)
活體蛋白質結構與功能
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怎麼樣 ? 醒醒 !
•該好好唸書了,是不 ?
• 歡迎有志者加入行列
• 不要寄望一學期就學通 MRI !
• 後悔退選絕不嫌太遲