Magnetic resonance imaging iwan cony setiadi
- 1. Magnetic Resonance Imaging Iwan Cony Setiadi - 2415201201 Dosen Pengampu: Dr.rer.nat. Ir. Aulia M. T. Nasution, M.Sc. PROGAM STUDI S2 TEKNIK FISIKA BIDANG KEAHLIAN REKAYASA INSTRUMENTASI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
- 2. 2 1. Sistem MSI Pasien ditempatkan dalam medan magnet, dan gelombang elektromagnet pulsa diterapkan untuk membangkitkan objective nuclide di dalam tubuh. Nuclide yang dibangkitkan akan kembali ke dalam energi semula dan akan melepaskan energi yang diserap sebagai gelombang elektromagnet. Gelombang elektromagnet yang dilepas ini adalah sinyal MR. Sinyal ini dideteksi dengan kumparan (coil) untuk membentuk suatu gambar (image). Yang perlu diperhatikan dengan memakai MR adalah nucleus (proton di dalam tubuh). Nucleus mempunyai massa dan muatan positif serta berputar pada sumbunya. Nucleus yang berputar ini dianggap sebagai suatu magnet batang kecil (small bar magnet). Karena nucleus ditempatkan di dalam medan magnet statis, maka akan berputar (precession). Ketika suatu pulsa RF yang mempunyai frekuensi sama dengan kecepatan/frekuensi dari putaran diberikan, nucleus menyerap energi dari pulsa (yang disebut gejala resonansi). Pulsa RF adalah gelombang elektromagnet dan disebut pulsa RF (Radio Frequency) karena band frekuensinya. Ketika pulsa RF dimatikan, nucleus kembali ke keadaan semula sambil melepaskan energi yang diserap (yang disebut relaxation). Dengan membuat nucleus memancarkan sinyal ketika melepaskan energi yang diserap, suatu gambar (image) dihasilkan. Adapun secara umum, komposisi sistem MRI bisa dilihat pada Gambar 1 berikut. Gambar 1. Komposisi Sistem MRI 1.1. Instrumen MRI Secara garis besar instrumen MRI terdiri dari: a. Sistem magnet yang berfungsi membentuk medan magnet. Agar dapat mengoperasikan MRI dengan baik, kita perlu mengetahui tentang : tipe magnet, efek medan magnet, magnet shielding ; shimming coil dari pesawat MRI tersebut b. Sistem Gradien MRI berfungsi membentuk citra yang terdiri dari tiga buah kumparan koil, yaitu: Gradien coil X, untuk membuat citra potongan sagittal. Gardien coil Y, untuk membuat citra potongan koronal. Gradien coil Z untuk membuat citra potongan aksial . Image Processing system SignalRf Display Permanent magnet (generating a constant static magnetic field) Gradient magnetic field coil (providing MR signal with positional information) Transmitter coil (applying an RF pulse) Receiver coil (receiving MR signal) Nc
- 3. 3 Bila gradien koil X, Y dan Z bekerja secara bersamaan maka akan terbentuk potongan oblik c. Sistem frekuensi radio berfungsi membangkitkan dan memberikan radio frekuensi serta mendeteksi sinyal. d. Sistem komputer berfungsi untuk membangkitkan sekuens pulsa, mengontrol semua komponen alat MRI dan menyimpan memori beberapa citra. e. Sistem pencetakan citra, fungsinya untuk mencetak gambar pada film rontgent atau untuk menyimpan citra. 1.2. Tipe Magnet Desain MRI pada dasarnya ditentukan oleh tipe dan format magnet utama yang digunakan, sebagai contoh adalah MRI tipe tertutup, MRI tipe terowongan dan MRI tipe terbuka. Magnet yang paling sering digunakan adalah magnet superkonduktif. Magnet superkonduktif merupakan suatu magnet elektrik yang dibuat dari dengan menggunakan koil dari bahan superkonduktif seperti helium cair yang dingin, dan nitrogen cair. Magnet superkonduktif akan menghasilkan medan magnet yang homogen dan kuat, akan tetapi biaya yang dibutuhkan juga cukup mahal dan harus diperiksa secara rutin. Jika magnet superkonduktif digunakan, maka harus disertai dengan sistem keamanan seperti: pipa evakuasi gas, pemonitoran persentase oksigen dan temperatur pada ruang MRI dsb. Beberapa tipe MRI juga khususnya kategori Low Field masih menggunakan medan magnet resistif dan magnet permanen (tetap). Untuk menghasilkan medan magnet yang homogen, magnet harus disesuaikan. Proses penyesuaiannya bisa dilakukan secara pasif yakni dengan menggunakan logam yang diapat digerakkan, atau secara aktif yakni dengan koil elektromagnet kecil yang terdistribusi pada magnet. Ciri-ciri sistem MRI yang menggunakan magnet tetap adalah sebagai berikut: Karena tidak ada daya listrik untuk menghasilkan medan magnet, biaya pemakaian sangat rendah. Sistem sangat berat. Keuntungan sistem ini adalah biaya pemakaian (running cost) yang sangat rendah dibanding sistem yang lain (magnet kumparan dan magnet superkonduktif). Ciri-ciri sistem magnet resistif adalah sebagai berikut: Termasuk tidak mahal Gampang untuk menangani Biaya pemakaian sangat tinggi karena: o Arusnya sebesar 200 A o Harus ada aliran air untuk pendinginan sistem, karena panas yang dihasilkan sangat tinggi Dari tiga macam magnet, magnet superkonduktif mungkin paling tidak dikenal. Magnet ini adalah suatu magnet listrik yang menggunakan suatu kumparan sebagai materi dengan suatu gejala superkonduktif terjadi. Gejala superkonduktif adalah bahwa hambatan listrik (electrical resistance) dari suatu logam menjadi nol bila metal didinginkan dengan temperature yang sangat rendah (-272属 C), dan temperature pada saat tersebut disebut temperature kritis (critical temperature) Tc. Hambatan listrik menjadi nol berarti bahwa suatu arus besar dapat mengalir dengan memakai tegangan (voltage) rendah beberapa volt. Magnet superkonduktif memerlukan biaya daya listrik yang rendah daripada magnet kumparan untuk mendapatkan medan magnet yang kuat, yang membuat magnet
- 4. 4 superkonduktif lebih berguna, tetapi masalahnya adalah helium cair yang dibutuhkan untuk mendinginkan kumparan. 1.3. Komponen Gradien Komponen gradien menghasilkan suatu variasi intensitas medan magnet yang linier pada arah bidang tertentu. Variasi tersebut ditambahkan pada medan magnet utama, yang jauh lebih kuat. Variasi tersebut dihasilkan oleh pasangan koil yang diletakkan pada masing- masing arah spasial. Arah medan magnet tersebut tidak diubah. Dengan menambahkan B0. Variasi liier dapat dihasilkan sesuai dengan magnitudo medan magnet total pada arah yang diinginkan. Adapun performansi gradien dapat ditentukan oleh hal-hal berikut: Amplitudo Maksimal, yang menjelaskan resolusi spasial maksimal Slew Rate, yang berkaitan dengan kecepatan proses switching Linieritas, yang harus dibuat semaksimalkan mungkin pada area scanning. 1.4. Arus Eddy Pergantian (switching) gradien yang sangat cepat menginduksikan arus pada material penghantar di sekeliling gradien koil ((cryogenic envelope, electric wires, antennas, homogenization coils,dsb). Hal ini lah yang mengakibatkan adanya arus eddy yang sifatnya melwan medan gradien dan menimbulkan adanya decay. Ada beberapa meod untuk mengurangi pengarus arus tersebut, yaitu: Pemberian pelindung Optimasi profil arus listrik yang dihantarkan ke koil gradien baik naik atau pun menurun offset. 1.5. Sistem Komponen Radio-Frekuensi Sistem radio-frekuensi terdiri dari sekumpulan komponen untuk mentransmisikan dan menerima gelombang frekuensi radio yang diterapkan pada nukleus, pemilihan slices, applyng gradien dan akuisisi sinyal. Koil merupakan komponen yang vital dalam menentukan sistem radio frekuensi. Pada proses transmisi, tujuan utamanya yaitu menerapkan eksitasi yang seragam sesuai volume yang akan discan. Pada proses penerimaan, koil harus cukup sensitif dan memiliki signal to noise (SNR) ratio yang baik. Pemindai MR umumnya berisi koil, yang terletak di silinder mesin, secara homogen mencakup keseluruhan volume pemindaian. Volume gulungan permukaan yang sensitif, ditempatkan dalam kontak langsung dengan zona yang diinginkan, memiliki kedalaman yang kurang dan lebih heterogen. Namun, koil permukaan memiliki SNR yang lebih baik terhadap rasio suara dan resolusi spasial yang lebih tinggi. Homogenitas dan volume koil permukaan yang sensitif dapat diperbaiki dengan menggabungkannya ke dalam rangkaian yang bertahap. Pemindai masih memiliki keuntungan dari rasio signal to noise yang lebih baik, namun proses pengolahan sinyal menjadi lebih kompleks. Kumparan RF kuadratur (koil sirkular terpolarisasi) terdiri dari sekurangnya dua gulungan yang berorientasi ortogonal pada masing-masing di atas (dan keduanya berbentuk sumbu 0). Mereka memiliki rasio sinyal terhadap noise yang lebih baik daripada kumparan RF linier. Bergantung pada pabrikan dan jenis koil, koil tertentu bisa berupa pemancar, penerima atau keduanya. Saluran frekuensi radio juga terdiri dari konverter analog-digital dan spektrometer untuk menerima dan menganalisis sinyal.
- 5. 5 Optimalisasi kanal frekuensi radio otomatis dan dilakukan dalam beberapa tahap sebelum urutan pencitraan: Frekuensi Larmor yang tepat diatur, ini sedikit dimodifikasi oleh kehadiran pasien di medan magnet Daya transmisi disesuaikan sesuai dengan berat pasien dan kumparan transmisi, untuk mendapatkan sudut kemiringan yang diinginkan Gain receiver disesuaikan untuk menghindari saturasi sinyal atau sebaliknya, amplifikasi lemah mengakibatkan rasio sinyal terhadap noise yang memburuk. Faraday Cage Karena frekuensi resonansi proton sangat dekat dengan gelombang radio yang digunakan dalam penyiaran radio dan pita FM, perangkat MR ditempatkan di sangkar Faraday untuk melindungi dari sinyal RF eksternal yang dapat mengubah sinyal. Kandang tembaga Faraday benar-benar membungkus pemindai MR. Bukaan melalui kandang ini perlu dirancang secara hati-hati agar tidak menghilangkan efek perisai. 1.6. Sistem Pelindung untuk MRI Dua macam pelindung (shield) sangat penting untuk MRI: 1. MRI dipengaruhi oleh noise radio Gelombang elektromagnet yang digunakan MRI mempunyai frekuensi yang sama dengan siaran radio. Jika sistem MRI yang dipasang tanpa pelindung (shield), maka akan terpengaruh noise radio serta mempengaruhi mutu gambar (image) yang dihasilkan. Untuk menjamin mutu gambar, seluruh sistem ruang MRI harus diberi pelindung. Gambar 2. Radio-wave (RF) shield 2. MRI dipengaruhi bahan magnet (pengaruh luar terhadap sistem MRI) Jika ada suatu benda dari bahan magnet di sekeliling MRI, akan mengganggu uniformity dari medan magnet yang menyebabkan mutu gambar menjadi rendah. Pelindung magnet tidak diperlukan karena kasus ini tergantung pada kondisi sekeliling. 1.7. Logam dan Medan Magnet Karena adanya medan magnet yang kuat, bahan tertentu dapat menghadirkan risiko fungsional atau bahkan vital: Efek proyektil (daya tarik oleh medan magnet statis dan akselerasi, dengan kecepatan hingga beberapa meter per detik): bahan feromagnetik (jika ragu tentang sifat feromagnetik benda logam, tes dapat dilakukan dengan menggunakan magnet kecil). Pemindahan benda asing metalik intra-korporeal: Benda asing metalik intraokular (pekerja logam, riwayat trauma orbit balistik, klip aneurisma intra-kranial lama) Kegagalan fungsi perangkat tertentu: alat pacu jantung, neurostimulator, implan koklea, katup derivasi. Radio-wave shield Radio noise
- 6. 6 Sehubungan dengan prostesis, bahan non feromagnetik tanpa aktivitas listrik (titanium dan campurannya, nitinol, tantalum, dll.) Tidak membawa risiko tertentu dalam kaitannya dengan medan magnet. Untuk prostesis magnetik rendah (bahan ortopedi), penundaan 6 sampai 8 minggu setelah implantasi disarankan untuk menghindari penggantian material. 1.8. RF dan SAR SAR sesuai dengan jumlah energi frekuensi radio yang tersimpan pada pasien, yang dapat menyebabkan pemanasan. Hal ini diukur dalam W / kg (yang menjelaskan kebutuhan untuk menentukan berat badan pasien sebelum ujian). SAR sebanding dengan kuadrat kekuatan medan magnet statis dan kuadrat dari sudut flip. Hal ini dapat dikurangi dengan: Menggunakan kumparan kuadratur dengan volume transmisi yang lebih rendah Mengoptimalkan parameter urutan (meningkatkan TR, mengurangi jumlah irisan, sudut flip, panjang kereta gema). Standar SAR ada untuk membatasi dosis maksimum yang dapat diterima untuk pasien dengan pemindaian MR (standar IEC 60601-2-33). Standar keselamatan dirancang untuk memastikan tidak ada jaringan yang terkena kenaikan suhu di atas 1 属 C. Resiko lain dari paparan RF adalah luka bakar kulit yang dipicu oleh arus induksi dalam loop konduksi. Luka bakar ini dapat terjadi saat kontak dengan timah listrik yang membentuk loop (pemantauan EKG secara khusus), perangkat logam (tambalan kulit, tindik badan, peralatan gigi) atau saat ada kontak dengan kulit (tangan di perut, betis menyentuh). 2. Kontras MRI 2.1. Perekaman Sinyal Magnet adalah dipol magnet dan dapat diwakili oleh vektor magnetik, yaitu medan magnet yang bergerak menginduksi arus dalam lingkaran kawat. Misalnya, magnet berputar di bawah ini (Gambar 3) menghasilkan arus induksi sinusoidal yang bisa direkam. Kumparan MRI dapat digunakan untuk transmisi dan / atau penerimaan. Karena tidak mungkin menerima sinyal RF pada poros yang sama dengan B0, koil hanya sensitif terhadap variasi vektor magnetisasi melintang. Kumparan RF kuadratur (koil sirkular terpolarisasi) terdiri dari sekurangnya dua gulungan yang berorientasi ortogonal satu sama lain (dan keduanya berbentuk sumbu 0 sumbu). Ia memiliki rasio sinyal terhadap noise yang lebih baik daripada kumparan RF linier. Gambar 3. Sinyal yang Direkam 2.2. Pulsa RF 90属 Setelah diterapkan pulsa RF 90属, net magnetisasi akan turun sehingga magnetisasi longitudinal telah hilang dan magnetisasi melintang akan muncul. Setelah pemancar RF dimatikan, relaksasi terjadi:
- 7. 7 Penurunan magnetisasi transversal (melintang) Magnetisasi longitudinal pulih Proton kembali memancarkan energi yang diserap Kumparan dapat menerima sinyal di bidang transversal karena variasi vektor magnetisasi transversal. Sinyal ini berosilasi pada frekuensi resonansi dan enveloppe sinyal adalah kurva peluruhan yang digambarkan sebagai kurva eksponensial. Gambar 4 .Peluruhan Sinyal Dengan tidak adanya gradien magnetik, sinyal ini disebut Free Induction Decay (FID). Sinyal FID meluruh lebih cepat dari T2 yang akan memprediksi dan menurun secara eksponensial pada konstanta waktu karakteristik T2 *. T2 * memperhitungkan: Relaksasi spin-spin spesifik jaringan (interaksi acak antara putaran) yang bertanggung jawab untuk T2decay murni Inhomogeneities statis pada medan magnet yang memperlancar pelepasan spin Gambar 5 . Free Induction Decay (FID). 2.3. Pulsa RF 180属 Sebuah pulsa RF 180 属 dapat merombak berputar dan membalikkan inhomogeneitas medan statis. Setelah pulsa RF 90 属, putaran dephase dan magnetisasi melintang menurun. Jika kita menerapkan pulsa RF 180 属, berputar kembali dan magnetisasi melintang muncul kembali. Pulsa RF 180 属 mengembalikan koherensi fase: Setelah putaran RF RF 90 属 dephase (selama waktu yang ditentukan sebagai TE / 2) Setelah pulsa RF 180 属, putaran kembali dalam fase pada waktu TE setelah pulsa RF 90 属, Pada waktu TE (Echo Time), sinyalnya tidak setinggi intensitas magnetisasi transversal awal. Pulsa RF 180 属 akan dephasing karena inhomogeneities medan statis namun bukan relaksasi spin-spin, kehilangan sinyal disebabkan oleh efek T2 murni.
- 8. 8 2.4. Spin echo, TR, TE Urutan spin Echo didasarkan pada pengulangan pulsa RF 90 属 dan 180 属. Urutan Spin Echo memiliki dua parameter: Echo Time (TE) adalah waktu antara pulsa RF 90 属 dan sampling MR, sesuai dengan maksimum gema. Pulsa RF 180 属 diterapkan pada waktu TE/2. Waktu Pengulangan adalah waktu antara 2 pulsa eksitasi (waktu antara dua pulsa RF 90 属). Setiap jaringan memiliki kepadatan proton spesifik, waktu T1 dan T2. Sinyal NMR bergantung pada 3 faktor ini. Setelah waktu T1, magnetisasi longitudinal telah kembali ke 63% dari nilai akhirnya. T1 mendefinisikan tingkat pemulihan magnetisasi longitudinal. Sebagai contoh, berikut adalah kurva pemulihan magnetisasi longitudinal untuk 2 jaringan A dan B dengan T1 berbeda. Setelah waktu T2, magnetisasi melintang telah kembali ke 37% dari nilai awalnya. T2 mendefinisikan tingkat peluruhan magnetisasi transversal. Sebagai contoh, berikut adalah kurva peluruhan magnet transversal untuk 2 jaringan A dan B dengan T2 berbeda. Ilustrasi Spin Echo bisa dilihat pada Gambar berikut. Gambar 6. Spin echo, TR, TE 2.5. Kontras MRI pada Tissue Untuk membedakan jaringan yang berbeda, kita perlu mendapatkan kontras di antara keduanya. Kontras adalah karena perbedaan sinyal MR, yang bergantung pada kerapatan T1, T2 dan proton dari parameter tisu dan urutan. Sinyal yang lebih tinggi adalah, semakin terang itu akan muncul pada gambar MR. Interpretasi didasarkan pada analisis kontras jaringan, untuk pemberian pembobotan sinyal (T1, T2, T2 * atau PD).
- 9. 9 Citra MR bisa dibandingkan dengan representasi lukisan dengan hanya 2 warna. Sebagai contoh, merah akan sesuai dengan efek T1, kuning terhadap efek T2, dan kepadatan pigmen terhadap kepadatan proton. Jika kita mengubah TR dan TE, kita bisa melihat lebih baik bagian merah atau kuning dari lukisan dengan lebih baik. Gambar 6. Ilustrasi Citra MRI 3. Kualitas Gambar dan Artefak 3.1. Kualitas Gambar Kualitas gambar MR tergantung pada beberapa faktor: Resolusi spasial dan kontras gambar SNR, rasio sinyal terhadap noise (dan rasio kontras terhadap noise) Artefak Eksplorasi MR adalah kompromi antara waktu pemindaian dan kualitas gambar. Protokol eksplorasi MR dan parameter urutannya harus dioptimalkan dalam fungsi organ dan patologi. Resolusi spasial sesuai dengan ukuran detil terkecil yang terdeteksi. Semakin kecil voxel, semakin tinggi potensi resolusi spasialnya. Volume voxel ditentukan oleh ukuran matriks (256 x 256 atau 512 x 512 dll.), Bidang pandang (10 cm, 20 cm, dll ....), dan ketebalan slice. Kontras gambar bervariasi dengan jenis urutan denyut nadi dan parameternya. Gambar 7. Ilustrasi Kualitas Citra MRI
- 10. 10 Kontras jaringan juga dimodifikasi oleh pulsa pra-saturasi atau agen kontras. Kontras citra dan pembobotan sinyal harus disesuaikan dengan tujuan pencitraan: anatomi, edema, karakterisasi jaringan (lemak, perdarahan, air), vaskularisasi dll. 3.2. Rasio Sinyal dengan Noise Noise seperti gangguan yang hadir sebagai pola butiran tidak teratur. Variasi acak dalam intensitas sinyal ini menurunkan informasi gambar. Sumber utama noise pada gambar adalah tubuh pasien (emisi RF karena gerakan termal). Seluruh rangkaian pengukuran pemindai MR (koil, elektronik ...) juga berkontribusi terhadap kebisingan. Suara ini merusak sinyal yang berasal dari variasi magnetisasi melintang dari putaran yang sengaja dieksitasi (pada bidang irisan yang dipilih). Rasio signal to noise (SNR) sama dengan rasio intensitas sinyal rata-rata melebihi standar deviasi noise. Ilustrasi SNR adalah sebagai berikut. Gambar 8. Ilustrasi Kualitas SNR terhadap Citra MRI Rasio sinyal dengan noise bergantung pada beberapa faktor yang berada di luar kendali operator (spesifikasi pemindai MR dan desain urutan pulsa) dan faktor yang dapat diubah pengguna: Faktor tetap: intensitas medan statis, desain urutan pulsa, karakteristik jaringan Faktor di bawah kendali operator o Kumparan RF ketika digunakan o Parameter sekuensial: ukuran voxel (membatasi resolusi spasial), jumlah averagings, bandwidth penerima. 3.3. Pengendalian Kualitas Gmabar Untuk menjamin kualitas gambar sebaik mungkin, dan untuk mendeteksi adanya gangguan, maka sebaiknya dilakukan quality control. Parameter yang berbeda dalam kontrol MRI meliputi: sinyal, parameter geometrik, NMR, artefak dan spektroskopi yang dijelaskan pada tabel berikut. Tabel 1. Pengendalian Kualitas Gambar Parameter sinyal Parameter sinyal utama adalah pengukuran rasio signal-to-noise. Pengukuran dilakukan: Baik dengan memilih daerah yang diminati di zona void (udara) Atau di wilayah yang diminati sesuai dengan pengurangan 2 gambar hantu yang homogen.
- 11. 11 Keseragaman gulungan pemancar juga harus dievaluasi, karena heterogenitas emisi frekuensi radio dapat menyebabkan perbedaan sudut flip dalam volume, sehingga mengubah kontras. Pengukuran ini, yang diberikan sebagai persentase, dilakukan pada hantu homogen, jika perlu dengan menggeser gambar atau meningkatkan jumlah akuisisi saat rasio signal-to-noise rendah. Parameter geometrik Tujuan dari pengujian ini adalah untuk memeriksa kualitas pengkodean spasial (pemilihan irisan, penyatuan fase dan frekuensi). Kriteria yang berguna dalam tes ini meliputi: Posisi, ketebalan dan profil potongan Linearitas spasial dan deformasi geometris, pada arah pengkodean fase dan frekuensi Resolusi spasial Parameter NMR Absolute precision dan Repeatability dari pengukuran T1 dan T2 Kontras dan rasio kontras-terhadap-noise (gambar 8.32) dengan pembobotan T1 dan T2 Artefak Phantom Pergeseran kimia dan penekanan sinyal lemak Parameter spektroskopi MR Evaluasi parameter homogenitas B0 untuk volume terpusat Akurasi amplitudo sinyal dan rasio signal-to- noise pada puncak prinsip 3.4. Artefak Artefak sering merusak citra MRI. Anda harus sadar akan hal itu untuk mencegah penampilan mereka dan mengenali jebakan diagnostik yang bisa mereka tiru. Artefak ini memiliki banyak sebab dan konsekuensi pada tampilan gambar. Semakin baik Anda memahami bagaimana gambar MR dibangun, semakin baik Anda akan berurusan dengan artefak. Adapun jenis artefak bisa dilihat pada Gambar berikut Gambar 9. Ilustrasi Artefak pada Citra MRI