MRI Physics | Magnetic Resonance and Spin Echo Sequences - Johns Hopkins Radiology

Summary

هذا الملخص يوفر نظرة عامة على التصوير المغناطيسي المغناطيسي (MRI) وسلسلة الإشارة الدوارة الأساسية. يصف النص كيفية توجيه البروتونات داخل الجسد بواسطة المجال المغناطيسي، وتأثير الإشارة الراديوفرقية (RF) على البروتونات لتحويل المغناطيسية الطواعية إلى العموديةية، مما ينتج إشارة يمكن قراءتها بواسطة الماسح الMRI. يناقش النص أيضًا تأثيرات تأثير T2*، وكيفية استخدام الإشارة الدوارة المزدوجة لتحسين الوضوح التصويري.

Takeaways

• 🧲 البروتونات في الجسم يمكنها التصرف مثل ال永久مغناطيس بفضل القوة المغناطيسية الخارجية.
• 🌀 يمكن أن تغير البروتونات في الMRI من التوجيه الطواعدي إلى العكس بسبب التأثيرات المغناطيسية.
• 🌌 الMRI تستخدم المجال المغناطيسي الكبير لوضع البروتونات في الوضع التناوب.
• 🔄 البروتونات تدور حول محورها وتسمى هذه الحركة بالتلاشي النووي.
• 🌀 التلاشي النووي يعتمد على قوة المجال المغناطيسي التطبيق ونسبة الجيروماغنيتية.
• 📡 يمكن تحفيز البروتونات بواسطة الترددات الراديو المطلوبة (RF) للتحول إلى مستوى آخر.
• 🔄 التحول إلى الوضع التناوب يسبب التلاشي الزايدئ للبروتونات، مما ينتج عنه الإشارات الكهربية.
• 📉 تتدهور الإشارات بسرعة بسبب تأثيرات T2*، التي تحدث بسبب عدم ال均质في المجال المغناطيسي.
• 🛡 يمكن مكافحة تأثيرات T2* بتطبيق إشعاعات RF معكوسة بدرجة 180 للبروتونات.
• 🔄 يمكن التقاط عدة عكاسات في الMRI بواسطة تطبيق العديد من الإشارات RF معكوسة.
• ⏱️ يتم استدعاء الزمن الذي يمر بين تكرار الإجراءات بـ TR، وهو الوقت اللازم لإعادة الضبط.

Q & A

ما هي الصورة الMRI وكيف تعمل؟

الصورة الMRI (Magnetic Resonance Imaging) هي نوع من التقنيات الطبية التي تستخدم المجال المغناطيسي للتصوير الداخلي للجسم. تعمل الMRI بواسطة مصباح ضخم يولد مجال مغناطيسي يمكن للبروتونات الموجودة في الجسم التناوب معه، مما يسمح بإنشاء صورًا高清ة للجسم.

ما هي البروتونات وما دورها في الMRI؟

البروتونات هي جزيئات من الهيدروجين الموجودة في الدهون والعضلات والسكرات في الجسم، وتعتبر جزءًا كبيرًا من الجسد. يمكن لهذه البروتونات التصرف مثل الماجنتات الباردة عندما توضع في مجال مغناطيسي خارجي.

كيف تغير البروتونات في الوجه الطبيعي؟

بشكل عادي، تكون توجيه البروتونات عشوائية، ولكن يمكنها التناوب مع الشكل الطبيعي عندما تضع في مجال مغناطيسي خارجي.

ما هو المجال المغناطيسي B0 الذي يشار إليه في النص؟

المجال المغناطيسي B0 هو المجال المغناطيسي الأساسية الذي يولده مصباح الMRI، ويساعد على توجيه البروتونات في الجسم.

ماذا يسمى الحركة الدوارة للبروتونات؟

الحركة الدوارة للبروتونات، التي تدور حول محورها مثل الكرات، تسمى ال precession أو nuclear spin.

ما هي معادلة لارمور ودورها في الMRI؟

معادلة لارمور تحدد سرعة precession (الدورة الدوارة) للبروتونات بناءً على قوتها من المجال المغناطيسي التطبيق. وهي تقول أن سرعة precession مساوية لقوة المجال المغناطيسي المطلوبة والمعامل الجيرومغناطيسي، الذي هو ثابت خاص بكل نواة أو عنصر.

كيف تؤثر البراكينج الراديو الترددي (RF) على البروتونات؟

البراكينج الراديو الترددي يمكن أن يغير توجيه البروتونات من المجال المغناطيسي الرئيسي، مما يسبب change في longitudinal magnetization وyields transverse magnetization.

ما هو الفرق بين纵向 magnetization و transverse magnetization؟

纵向 magnetization هي توجيه البروتونات مع المجال المغناطيسي الرئيسي، بينما transverse magnetization هي توجيه البروتونات في مسار متناغم مع المجال المغناطيسي الرئيسي.

ما هي free induction decay وما هو دورها في الMRI؟

Free induction decay هو عملية تراجع البروتونات إلى حالتهم الطبيعية بعد التحريك بbraeking RF pulse، مما ينتج إشارة كهربائية يمكن استكشافها بواسطة الMRI.

ما هي الفرق بين T1 time و T2 time في الMRI؟

T1 time هو الوقت الذي يستغرقه البروتونات لاستعادة 63% من纵向 magnetization، بينما T2 time هو الوقت الذي ينقضي فيه البروتونات في خسارة 63% من transverse magnetization.

ما هي التأثيرات T2 star وما هي الطريقة لمكافحةها؟

T2 star effects هي تأثيرات تسببت بسبب عدم ال均质في المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى dephasing وانخفاض الإشارات. يمكن مكافئتها بإضافة braeking RF pulse لإعادة ترتيب precession للبروتونات.

ما هو الفرق بين التصوير بالspin echo و fast spin echo imaging؟

التصوير بالspin echo يستخدم braeking RF pulse واحدة فقط، بينما fast spin echo imaging يستخدم العديد من الbraeking RF pulses لزيادة سرعة التصوير وتقليل تأثيرات T2 star.

Outlines

00:00

🧲 MRI基础与质子共振

Dr. Erin Gomez介绍了磁共振成像（MRI）的基本原理，包括质子在身体中的存在，以及它们如何像小磁铁一样响应外部磁场。她解释了MRI扫描仪如何利用质子的这种特性来生成图像。质子在外部磁场中会排列成与磁场平行或反平行的方向，形成净磁化向量。此外，她还讨论了质子的进动（precession）现象，即质子围绕自己的轴旋转，其速度取决于磁场的强度。通过使用射频（RF）脉冲，可以改变质子的进动方向，从而产生可以被MRI扫描仪检测到的信号。

05:02

🌀 自旋回波序列与T1和T2时间

Dr. Gomez继续解释了自旋回波序列，这是一种MRI成像技术，它使用90度的RF脉冲将质子的磁化向量翻转到垂直位置，然后通过180度的RF脉冲来重新同步质子的进动，从而产生回波信号。她讨论了T1和T2时间的概念，这些时间反映了质子恢复其原始磁化状态的速度。不同的组织类型具有不同的T1和T2时间，这可以用来区分它们。此外，她还提到了自由感应衰减（FID）的概念，这是一种由于质子的失相位而导致信号快速衰减的现象，以及T2*效应，这是由于磁场不均匀性导致的信号丢失。

10:03

🔄 重复序列与信号衰减

最后，Dr. Gomez讨论了在MRI扫描中如何通过重复自旋回波序列来捕获多个回波，以及这些回波如何随着时间的推移而逐渐减弱，直到信号完全消失，序列需要重新开始。她还提到了TR（重复时间）的概念，即序列重复之间的时间间隔。这段视频脚本的总结强调了MRI技术的基础原理，以及如何通过调整扫描参数来优化图像质量。

Keywords

💡بروتون

بروتون هي الذرة الأساسية في الهيدروجين والتي يمكن أن تتصرف مثل المغناطيسية البسيطة. في الفيديو، يستخدم البروتونات لشرح كيفية عمل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، حيث يمكنها محاذاة مع المجال المغناطيسي الخارجي. يذكر النص أن البروتونات موجودة في الدهون والعضلات والسكريات في الجسم، مما يشير إلى دورها الحيوي كجزء من الهيدرات في الجسم.

💡مجال مغناطيسي

مجال مغناطيسي هو قوة مغناطيسية يمكنها التأثير على الجسيمات مثل البروتونات. في التصوير بالرنين المغناطيسي، يستخدم مجال مغناطيسي ضخم لوضع البروتونات في حالة ترتيب معين. يشير النص إلى أن المجال المغناطيسي يؤثر على البروتونات لجعلها تميل في اتجاه معين مع المجال، مما يولد ال净磁化向量 المطلوب في التصوير.

💡ال precession النووي

ال precession النووي هو حركة دوران البروتونات حول محورها عند وجود مجال مغناطيسي. يشير النص إلى أن هذه الحركة يمكن أن تتأثر بقوة المجال الخارجي، مما يؤثر على سرعة الدوران. يستخدم ال precession النووي كأساس لفهم كيفية تحريك البروتونات في المجال المغناطيسي للتصوير بالرنين المغناطيسي.

💡ال頻率 الprecessional

ال頻率 الprecessional هي سرعة الدوران ال行星ي للبروتون في المجال المغناطيسي. يذكر النص أنه可以根据 لarmor المعادلة، التي تربط بين القوة المجال المغناطيسي ونسبة الجيرومغناطيسية، يمكن حسابها. هذا يساعد في تحديد سرعة الدوران ال行星ي للبروتون، التي هي بالأساس سرعة precession النووي.

💡RF (радиو التردد)

RF هو التردد الراديو الذي يستخدم في التصوير بالرنين المغناطيسي لتغيير ترتيب البروتونات في المجال المغناطيسي. يشير النص إلى أن الRF يؤثر على البروتونات لجعلها تتحول إلى مسار آخر وتعمل بشكل متناغم، مما يغير ال净磁化 في الشكل الطويلitudinal.

💡ال净磁化

ال净磁化 هو مجموع القوى المغناطيسية لمجموعة من البروتونات. في الفيديو، يستخدم ال净磁ize لوصف كيف تغير البروتونات ترتيبها عند وجود مجال مغناطيسي وRF. يذكر النص أن ال净磁ize يمكن أن تغير من الطول (z-محور) إلى العرض (x-y مسار)، مما يحدث عند استخدام الRF.

💡الانحراف 90 درجة

الانحراف 90 درجة هو مثال على القوة المطلوبة لتحويل ال净磁ize من الطول إلى العرض. يستخدم النص هذا المصطلح لشرح كيف يؤثر الRF على البروتونات لجعل ال净磁ize تتحول إلى مسار عمودي للجسم، مما يسمح بتصوير ال净磁ize ال行星ي.

💡التدوير الحراري

التدوير الحراري هو عملية العودة للبروتونات إلى ترتيبها الطبيعي بعد التأثير بالRF. يذكر النص أنه يحدث بشكل تدريجيا مع زيادة ال净磁ize الطويلitudinal والانخفاض في ال净磁ize ال行星ي. يستخدم التدوير الحراري كجزء من التصوير بالرنين المغناطيسي لتحديد نوع الأنسجة.

💡الزمن T1 والزمن T2

الزمن T1 والزمن T2 هي عبارة عن مقاييس لسرعة التدوير الحراري للبروتونات. يشير النص إلى أن الزمن T1 هو الوقت الذي يستغرقه البروتونات لاستعادة 63% من ال净磁ize الطويلitudinal، بينما الزمن T2 هو الوقت الذي يفقده البروتونات 63% من ال净磁ize ال行星ي. يتم استخدام هذه الزمان لتحديد خصائص الأنسجة في التصوير بالرنين المغناطيسي.

💡تأثير T2 النجمي

تأثير T2 النجمي هو التأثير الذي يحدث عندما يحدث عدم ترتيب في المجال المغناطيسي، مما يسبب ازدياد التدوير الحراري للبروتونات. يذكر النص أنه يمكن أن يسبب ازدياد التدوير الحراري والانخفاض في ال净磁ize ال行星ي، مما يؤثر على الصورة النهائية. يمكن مكافأة هذا التأثير بإضافة RF أخرى.

💡الـ echo ال行星ي

الـ echo ال行星ي هو النتيجة التي تنتج عن إعادة ترتيب البروتونات بعد التأثير بالRF. يشير النص إلى أنه يمكن أن يحدث بعد التأثير بالRF 180 درجة، مما يعيد ترتيب البروتونات بشكل متناغم ويبدي المزيد من الطاقة للجهاز. يستخدم الـ echo ال行星ي لجمع المعلومات اللازمة لإنشاء الصورة الطبية.

Highlights

Dr. Erin Gomez provides an overview of magnetic resonance and the basic MRI spin echo sequence.

Proton properties and their role in MRI are discussed, including their presence in fat, muscle, and water.

Explanation of how protons act like bar magnets and align with an external magnetic field.

Introduction to the MRI scanner as a giant magnet generating its own magnetic field, B0.

Description of net magnetization vector and its alignment with the MRI scanner's magnetic field.

Precession or nuclear spin of protons and its dependency on the magnetic field's strength.

The Larmor equation's role in expressing the relationship between precession frequency and magnetic field strength.

Use of radio frequency (RF) pulses to influence protons and alter their longitudinal magnetization.

The concept of transverse magnetization and its creation through RF pulses.

Explanation of how protons recover to their original state after being influenced by RF pulses.

Introduction to the spin echo sequence, starting with a 90-degree RF pulse.

Discussion of free induction decay and its role in generating electrical signals from proton alignment changes.

Definition of T1 and T2 times in relation to proton recovery and their significance in MRI imaging.

The impact of magnetic field inhomogeneity on proton dephasing and the appearance of T2 star effects.

How a 180-degree refocusing RF pulse combats T2 star effects and improves MRI signal quality.

The process of capturing echoes through multiple 180-degree pulses to enhance MRI imaging.

Explanation of the time to echo (TE) and time to repetition (TR) in MRI sequences.

Conclusion of the overview with a summary of the basic MRI spin echo sequence.

Transcripts

hello my name is dr erin gomez and this

is a brief overview of magnetic

resonance and a basic mri spin echo

sequence

let's talk about protons

we have protons in the fat muscle and

sugars within our body and of course

within water

remember that a significant portion of

our bodies consists of water and that a

hydrogen atom is just a proton one

positron and one electron with a

positive and a negative pole

because of this each of these protons is

capable of acting like a bar magnet

usually the orientation of these protons

is random but they can be influenced by

an external magnetic field

at the most basic level an mri scanner

is a giant magnet and generates its own

magnetic field which we can call b0

when protons are placed within this

magnetic field they'll line up parallel

or anti-parallel to the primary magnetic

field with a small majority aligning

with the direction of the primary

magnetic field just going with the flow

this generates what is referred to as

the net magnetization vector

we can imagine this net magnetization

along the z axis the long axis or length

of the patient's body

in addition to aligning with the

magnetic field produced by the mri

scanner the protons in your body are

also spinning along their axes like

little tops or globes this is called

precession or nuclear spin

the speed or frequency of this axial

spin depends on the strength of the

applied magnetic field and can be

expressed by the larmor equation

simply put this equation states that the

precession frequency of a particle is

equal to the strength of the magnetic

field applied and the gyromagnetic ratio

which is a constant that is unique to

each specific nucleus or element

with the protons aligned with the main

magnetic field we can influence them

using externally applied radio frequency

or rf pulses when this happens the

protons are knocked down into an

alternate plane and also precessed

together in phase

the angle depends on the strength and

duration of the rf pulse

knocking the protons down into another

plane is a change in their longitudinal

magnetization

normally the majority of protons are

going with the flow and following the

direction of the external magnetic field

but with a little extra energy which we

can call excitation protons have the

ability to go against the current and

instead orient themselves in the

opposite direction against that of the

magnetic field this is called

anti-parallel

that's not all that happens with some

energy applied in the form of the rf

pulse the protons will also process

together in phase we can think of this

brief synchronization as the transverse

magnetization of the protons

to recap we've put some energy into the

system and temporarily convinced each of

these protons to sit down and get it

together

this doesn't last long much as if you

were knocked off of your feet or if i

yelled at my wild little children as

they ran haphazardly around their

playroom recovery is imminent

they'll behave for a short time but

they'll soon return my energy back to me

as the baseline state of disorder is

restored

much like my children the protons will

recover or return to their original

state of orientation with the magnetic

field and asynchronous procession

now that we've gone over what can happen

when we administer an rf pulse let's

talk specifically about what happens

during a typical spin echo sequence

remember the flip angle induced by an rf

pulse depends on the strength and

duration of the pulse

the thing being flipped is the net

magnetization vector at the beginning of

a standard spin echo sequence we apply a

90 degree pulse

this means that after the rf pulse has

been applied the net magnetization

vector is perpendicular to its original

orientation

this orientation is achieved by

eliminating longitudinal magnetization

and generating a transverse

magnetization vector by synchronizing

proton precession

during recovery longitudinal

magnetization increases and transverse

magnetization decreases the protons d

phase

this looks like a spiraling of the net

magnetic vector along the z axis

this spiraling of the net magnetization

vector induces an electrical signal by a

process called free induction decay

which is really just a throwback to the

high school physics principle of

inducing a current by rotating a

magnetic field search the depths of your

mind for the right hand rule

a few additional terms to note the

recovery of the longitudinal

magnetization of a proton occurs

exponentially

the point at which 63 percent of the

longitudinal magnetization has been

recovered is called the t1 time

the time at which 63 percent of the

transverse magnetization has been lost

is called the t2 time

the t1 and t2 time is unique to each

tissue type image

think about a class of children running

a foot race each will recover to their

baseline heart rate at a slightly

different time depending on their

physical fitness

we can take advantage of these unique

tissue properties and alter the mri

sequences to highlight them this is

called waiting and discussion of this is

for another time

that wasn't so bad was it seemed too

good to be true in a way it is there are

a few caveats and drawbacks to the

concept of free induction decay

number one it only applies to 90 degree

pulses

number two the signal decays very

rapidly and requires a very fast scanner

to detect

number three the dephasing of protons

occurs at a speed known as the t2 star

constant

this exponential decay in the

synchronization of proton spins is due

to the fact that each proton experiences

the magnetic field at a slightly

different strength meaning there is

never true uniformity in precession

these differences in precession end up

compiling leading to increasingly

asynchronous spins because each proton

already experiences the magnetic field

differently than its neighbors any in

homogeneity in the magnetic field makes

de-phasing and thus signal drop out even

worse

these are called t2 star effects

on mr imaging these t2 star effects can

appear as diffuse loss of signal or

black holes in areas where the magnetic

field is particularly distorted

because these effects are due to an

inhomogeneous magnetic field

we can liken them to distractions in a

child's environment

t2 star effects seem terrible isn't

there any way to fight them

fret not the answer is yes

the good news is that we can combat t2

star effects and their resulting signal

decay with the addition of another rf

pulse

to understand this we must remember that

although magnetic field in homogeneity

is inconvenient it is manageable in the

sense the differences in precession

speed that they cause are fixed and

predictable

as some protons lag behind their faster

counterparts we can apply a 180 degree

refocusing rf pulse that instructs all

of the protons to turn around and

process in the opposite direction

much like the classic tail of the

tortoise and the hair though the

tortoise is far behind the rabbit if we

ask both to turn around and head back to

the starting line of the race they'll

catch up to each other and arrive at the

same time due to the differences in

their speeds the crowd goes wild it's a

tie

when the proton procession sinks up

following the 180 degree pulse more

energy is released back into the system

this is called an echo and it is the

information collected by the mr scanner

which will eventually generate a medical

image

we can liken the 180 degree refocusing

pulse and the synchronous procession it

creates to an elementary school class

photo shoot

the teacher may need to raise her voice

in order to get the class to focus its

attention on the photographer and

achieve a yearbook worthy shot the echo

we can apply additional 180 degree

pulses to achieve multiple echoes photo

after photo after photo to continue

decreasing the t2 star effects

eventually however the students have

nothing left to give less and less

energy is yielded back with each echo

eventually dephasing occurs completely

and the echo dies out

once that happens the sequence must be

restarted again with another 90 degree

pulse

imaging in this manner is called spin

echo or fast spin echo imaging

we can use universal diagrams to depict

what happens with specific mr sequences

let's use one to recap the basic spin

echo sequence that we've just discussed

protons are aligned with the main

magnetic field b0 and are processing

randomly

a 90 degree rf pulse is applied

eliminating longitudinal magnetization

and producing a transverse magnetization

vector as protons process in phase

longitudinal recovery and transverse

decay occur producing a signal by a free

induction decay which is susceptible to

t2 star effects

a 180 degree refocusing pulse

temporarily rephases proton precession

producing an echo which can be read out

by the mr scanner

the moment that the echo is produced is

called the te or time to echo

we can apply multiple refocusing pulses

in an attempt to capture as many echoes

as possible the echoes become

successively weaker until the signal

dies out completely and the sequence

must be restarted

the time between repetition of sequences

is called the tr or time to repetition

that's all for now this concludes our

overview of magnetic resonance and the

basic mri spin echo sequence