Zobrazování. Zdeněk Tošner

Transkript

1 Zobrazování Zdeněk Tošner

2 Ultrazvuk Zobrazování pomocí magnetické rezonance Rentgen a počítačová tomografie (CT)

3 Ultrazvuk Akustické vlnění 20 khz 1 GHz materiálová defektoskopie sonar sonografie (v lékařství 2-30 MHz) Zdroj Detektor piezoelektrický jev při aplikaci tlaku na krystal na něm vzniká napětí úměné tlaku při aplikaci el. pole se krystal roztahuje/smršťuje úměrně el. poli

4 Ultrazvuk Rychlost šíření vzduch voda měkké tkáně kosti Lom 330 m/s 1520 m/s 1450 m/s (tuk) až 1560 m/s (játra, ledviny) 3800 m/s α rozdílná rychlost šíření ve dvou prostředích β v1 Snellův zákon v2 sin β sin α = v2 v1 Odraz hranice dvou prostředí s různým odporem pro šíření I R Z 1 Z 2 = I 0 Z 1 Z 2 Z1 Z2 2

5 Ultrazvuk Princip sonografie vyhodnocení odezvy těla na sekvenci ultrazvukových pulzů odezva = echa, odrazy na rozhraních vyslaný pulz vzdálenost rozhraní od zdroje echo d =v TS t echo 2 techo frekvence 3.5 MHz délka pulzu 1 µs rychlost šíření 1540 m/s hloubka průniku 15 cm hloubka průniku klesá pro vyšší frekvence (pro 7.5 MHz je 5 cm) Úkol: 5000 Hz maximální frekvence opakování pulzů?

6 Ultrazvuk Zobrazení řezu vysíláno postupně více paprsků lineární sektorové intenzita echa stupně šedi

7 Ultrazvuk

8 Ultrazvuk

9 Ultrazvuk

10 Ultrazvuk

11 Ultrazvuk Doplerův effekt v c f ' = f 1±

12 Ultrazvuk Doplerova ultrazvuková metoda odraz/rozptyl na červených krvinkách měření rychlosti a směru toku krve ϕ v ' f = f 1 2 v kr cos v ult

13 Počítačová tomografie CT W. C. Roentgen rentgenové záření proud elektronů vyrazí elektrony z vnitřního orbitalu přechod elektronu z vyšší hladiny, vyzáření fotonu až Hz Konvenční rentgenové snímky různé tkáně mají různou propustnost intenzita prošlého záření zobrazena ve stupních šedi sumární projekce

14 Počítačová tomografie CT Princip zdroj a detektory se otáčí kolem pacienta různé tkáně absorbují X-záření různě intenzita na detektoru = součet všech zeslabení nalézt rozložení absorbujících elementů (koeficientu tlumení) obraz 2D mapa voxelů

15 Počítačová tomografie CT Rekonstrukce obrazu metoda zpětné projekce superpozice obrazů 1D profil zeslabení Radonova transformace odpovídající obraz pro úplnou rekonstrukci zapotřebí nekonečně mnoho profilů

16 Počítačová tomografie CT Sumární artefakty potlačeny konvolucí profilu zeslabení s vhodnou funkcí Konvoluční jádra zvýraznění přechodů mezi orgány změna textury obrazu... vyhlazovací zdůrazňující hrany

17 Počítačová tomografie CT Přístrojové uspořádání 1. generace 1 zdroj, 1 detektor 4. generace širší paprsek, více detektorů 7. generace ~1000 detektorů přes snímků během několika vteřin 16. generace mnoho detektorů po obvodu kruhu, rotující rentgenka

18 Počítačová tomografie CT Výběr vrstvy řezu Spirální CT možnost 3D rekonstrukce

19 Počítačová tomografie CT CT 3D rekonstrukce srdce

20 Magnetická rezonance MRI Jev nukleární magnetické rezonance makroskopická magnetizace atomová jádra spin magnetický moment M=0 magnetické pole Larmorova precese B0 B0 ω=γ B0 M=0

21 Magnetická rezonance MRI Jev nukleární magnetické rezonance Kvantový popis spin 1/2 Boltzmanovo rozdělení B0 ΔE=ℏ γ B 0 N1 N0 ΔE kt =exp ~10-5 pro 1H, 1.5 T, 37 C

22 Magnetická rezonance MRI Jev nukleární magnetické rezonance Interakce s přídavným polem B0 B1 Rotující soustava souřadná pole B1 konstantní fiktivní síla kompenzuje vliv B0 radiofrekvenční pole B= B1 Podmínka rezonance ω RF =γ B0 pro 1H, 1.5 T, je asi 63 MHz B1 0 B 0 ω RF γ

23 Magnetická rezonance MRI Jev nukleární magnetické rezonance 90 pulz pole B1 zapnuto pouze po určitou dobu B0 časově proměnný magnetický tok indukuje se napětí signál volné precese Fourierova transformace

24 Magnetická rezonance MRI Jev nukleární magnetické rezonance Relaxační efekty obnovení rovnovážného stavu celkové magnetizace spin-mřížková relaxace spin-spinová relaxace změny v ose z změny v rovině xy T1 T2 > fluktuace lokálního magnetického pole Brownův pohyb molekul dipól-dipólová interakce stimulace přechodů mezi energetickými hladinami postupná ztráta koherence, rozfázovávání

25 Magnetická rezonance MRI Jev nukleární magnetické rezonance Spinové echo 90 τ 180 ztráta koherence: τ T2 relaxace nehomogenity statického pole pomalejší rychlejší τ rozfázování τ otočení o 180 sfázování

26 Magnetická rezonance MRI Principy MRI, prostorové rozlišení sledujeme signál jader vodíku vázaného ve vodě RF výběr vrstvy Gz Gy fázové kódování Gx náběr dat frekvenční kódování TE TR

27 Magnetická rezonance MRI Principy MRI, prostorové rozlišení Výběr vrstvy RF Gz tvarovaný pulz směs více frekvencí Tloušťka vrstvy ω Δω RF =γ ΔB 0 z

28 Magnetická rezonance MRI Principy MRI, prostorové rozlišení Fázové kódování y Gy různá místa získají různý fázový posun φ y =γ G y t p y ky analogie s vlnovým vektorem

29 Magnetická rezonance MRI Principy MRI, prostorové rozlišení Frekvenční kódování Gx náběr dat různá místa precedují s různou frekvencí za dobu náběru dat získají fázi φ x =γ G x t acq x kx x

30 Magnetická rezonance MRI Principy MRI, prostorové rozlišení k-prostor MR obraz celkový signál s x, y exp ik x x exp ik y y dxdy s x, y Fourierova ky transformace kx

31 Magnetická rezonance MRI Principy MRI, původ kontrastu protonová hustota T1 relaxace T2 relaxace šedá hmota bílá hmota mozkomíšní mok T1 T2 920 ms 790 ms 3000 ms 100 ms 90 ms 1500 ms (pro 1.5 T) Mz GM WM CSF Mx,y vhodnou volbou parametrů TR a TE lze měnit kontrast a jeho původ

32 Magnetická rezonance MRI T1 T1-kl T2 GE MRA T1-IR

33 Magnetická rezonance MRI T1 vážený obraz T2 vážený obraz s potlačením tuku

34 Magnetická rezonance MRI tumor v játrech T1-vážený obraz T2-vážený obraz silně T2-vážený obraz T2-vážený +potlačení tuku

35 Magnetická rezonance MRI Angiografie zobrazení cév a toku krve

36 Magnetická rezonance fmri Funkční zobrazování mozku aktivita mapování mozkové aktivity vyšší přísun kyslíku (paramagnetický) lokálně ovlivněny relaxační časy změněná intenzita na MR obraze statistické zpracování série obrazů klid aktivita

37 Magnetická rezonance fmri Kde je centrum pro motoriku? úloha s pohybem prstů

38 Magnetická rezonance fmri