Magnetic Resonance Imaging

Inhoudsopgave

1. Voorwerk

2. 1. Het MRI-signaal

   Marion Heeren, Ria Zuurbier

   Samenvatting

   Bij MRI worden afbeeldingen gemaakt met behulp van de magnetische eigenschappen van waterstofprotonen. Ze maken onder invloed van een magnetisch veld een precessiebeweging rond dat veld met een frequentie die afhankelijk is van de grootte ervan. Als een patiënt in een MRI-scanner geschoven wordt, gaan de protonen zich richten naar dat veld, parallel of antiparallel, met een klein overschot in de parallelle richting. Dit kleine overschot zorgt voor een nettomagnetisatie van de protonen evenwijdig aan het hoofdmagnetisch veld (B₀). Deze magnetisatie noemen we de longitudinale magnetisatie (Mz). Omdat de nettomagnetisatie van de protonen zeer klein is in verhouding tot B₀, is deze niet direct te meten. Hiervoor wordt de magnetisatie omgezet naar een transversale magnetisatie (Mxy). Dit gebeurt door een radiofrequente puls (RF-puls) met dezelfde frequentie als de precessiefrequentie; dit heet excitatie. De transversale magnetisatie is meetbaar met een antenne, spoel of coil.

3. 2. Contrast

   Marion Heeren, Ria Zuurbier

   Samenvatting

   Het contrast op een MRI-afbeelding is afhankelijk van de contrastparameters en de pulssequentie. De contrastparameters die in alle sequenties een rol spelen, zijn de repetitietijd en de echotijd. Na excitatie van de protonen treedt relaxatie op: de transversale magnetisatie verdwijnt en de longitudinale magnetisatie herstelt zich weer (T1-relaxatie). Verschillen in T1-relaxatie uiten zich bij een relatief korter repetitietijd. Tevens gebruikt men een korte TE om de T2-invloeden te minimaliseren (T1-gewogen contrast). De transversale magnetisatie verdwijnt door defasering. Het defaseren door spin-spin-interacties noemen we de T2-relaxatie, dit is een weefseleigenschap. Het defaseren door spin-spin-interacties én veldinhomogeniteiten is de T2*-relaxatie. Verschillen in T2-relaxatie komen tot uiting bij een lange echotijd; tevens gebruikt met een lange TR om verschillen in T1-relaxatie te minimaliseren (T2-gewogen contrast). Bij een lange TR en een korte TE is er weinig T1-contrast en T2-contrast, de afbeelding is dan PD-gewogen.

4. 3. MRI-spoelen (coils) en hardware

   Johan Nahuis

   Samenvatting

   In een MRI-scanner bevinden zich meerdere elektrische spoelen (coils), waaronder de magneet (main coil), de active-shielding coil, shimspoelen, gradiëntspoelen, RF-spoelen en ontvangst- of patiëntspoelen. De RF-spoelen zenden een radiopuls uit (transmit coils) of vangen het signaal op (receive coils). Er zijn ook spoelen die zowel kunnen zenden als ontvangen. De spoelen zijn onder te verdelen in oppervlaktespoelen, phasedarrayspoelen en volumespoelen. De informatie die in een spoel ontvangen wordt, gaat via kanalen naar de processor van de MRI-scan. De ontvangst van radiogolven kan verstoord worden. De MRI-kamer is daarom ingepakt in een kooi van Faraday, een laag koper die de gehele kamer omgeeft.

5. 4. Ruimtelijke codering, gradiënten en K-ruimte

   Marion Heeren

   Samenvatting

   De ronddraaiende transversale magnetisatie is de bron van het MRI-signaal. Het is belangrijk om te kunnen herkennen uit welk deel van het lichaam het signaal afkomstig is. Hiervoor moet het lichaam in slices en voxels (volume-elementen) worden opgedeeld en moet je kunnen herkennen uit welk volume-element een signaal afkomstig is. Dat doe je door het signaal per voxel een unieke code te geven door middel van gradiënten in het magneetveld. Er zijn drie gradiënten die voor deze codering zorgen: slice-selectiegradiënt, frequentiecoderingsgradiënt en fasecoderingsgradiënt. Gradiënten hebben ook nog een andere functie, namelijk het meten en wegschrijven van echo’s in de K-ruimte. De grootte van deze ruimte is variabel en wordt beïnvloed door de resolutie.

6. 5. Basispulssequenties

   Marion Heeren

   Samenvatting

   Bij MRI is sprake van twee basispulssequenties. We kunnen twee soorten signalen meten: T2 en T2*, afhankelijk van welke pulssequentie we gebruiken. Bij alle sequenties gebaseerd op spinecho gebruiken we een 90°-excitatiepuls en het T2-signaal. Bij alle gradiënt echosequenties meten we het T2*-signaal en kunnen andere excitatiepulshoeken gebruikt worden dan 90°. De spin echopulssequenties maken gebruik van een refocuseringspuls, waardoor er gecompenseerd wordt voor veldinhomogeniteiten. De gradiënt echopulssequentie maakt hiervan geen gebruik en is daardoor gevoelig voor veldinhomogeniteiten en susceptibiliteit. Een variant op de spin echosequentie is de turbo spin echosequentie. Hierbij worden meerdere refocuseringspulsen gebruikt waarbij meerdere echo’s per excitatiepuls gemeten worden. De inversie-recovery-sequentie (IR-sequentie) is een variatie op de TSE-sequentie. Hierbij wordt een inversiepuls toegepast. Variaties van de IR-sequentie zijn de STIR of TIRM, waarbij vet wordt onderdrukt, en de FLAIR of Dark Fluid, waarbij liquor wordt onderdrukt.

7. 6. Artefacten

   Johan Nahuis, Marion Heeren

   Samenvatting

   Een MRI-systeem is een combinatie van diverse componenten. Zonder deze componenten zou een MRI-systeem niet kunnen werken, maar tegelijkertijd kunnen deze componenten de oorzaak zijn van artefacten. In dit hoofdstuk komen deze en andere artefacten aan de orde die de beeldkwaliteit van een MRI-beeld ernstig kunnen verstoren en zelfs onbeoordeelbaar maken. Ook bespreken we artefacten die helpen de diagnostische waarde van de beelden te verbeteren of zelfs laesies zichtbaar te maken. Het is belangrijk om te weten dat het merendeel van de artefacten zich voordoet in de faserichting. Het omdraaien van fase- en frequentierichting kan uitsluitsel geven over de vraag of een afwijking een artefact is of een aandoening.

8. 7. Scantijd en artefactreductietechnieken

   Marion Heeren

   Samenvatting

   Het verzamelen van echo’s kost tijd. Om 256 lijnen te schrijven, moeten 256 echo’s gemeten worden. Een afbeelding met een matrix van 256 × 256 pixels en een TR van 2000 ms duurt minimaal 256 × 2000 = 512.000 ms (ruim 8 minuten). De scantijd wordt verlengd als de matrix vergroot wordt (bijv. 512 pixels) of als een slice meerdere keren gemeten wordt (meer NSA’s, acquistions of NEX) om de SNR te verbeteren. In dit hoofdstuk komen methoden van het verkorten van de scantijd aan de orde, zoals multi-slice imaging, verkleinen fase-FOV, interpolation, partial fourier, halfscan, parallel imaging, compressed SENSE en SMS. Verder worden artefactreductietechnieken behandeld, zoals oversampling en de keuze van de faserichting. Veel technieken om de scantijd te verkorten, hebben te maken met het vullen van de K-ruimte. Immers, hoe minder echo’s er in de K-ruimte gemeten hoeven worden, hoe korter de scantijd zal zijn.

9. 8. Vetsaturatietechnieken

   Marion Heeren

   Samenvatting

   Een manier om vet te onderdrukken, is gebruikmaken van een STIR- of TIRM-sequentie. Deze sequentie wordt besproken in hoofdstuk 5 paragraaf 5.3.1. Het nadeel van deze sequentie is dat het contrast vastligt en dat deze sequentie niet gebruikt kan worden na een gadoliniuminjectie. Bij de STIR-sequentie wordt het signaal van vet onderdrukt met een inversiepuls die voor alle weefsels geldt. Er zijn ook andere manieren ontwikkeld om vet te onderdrukken. Iedere manier heeft zijn voor- en nadelen en wordt om verschillende redenen toegepast. De vetsaturatietechnieken die naast de STIR toegepast kunnen worden, zijn de spectrale vetsaturatietechnieken zoals Fat Sat, SPIR en SPAIR, water excitation en de Dixon-techniek. Deze laatste wordt meestal toegepast als vetsaturatietechniek, maar kan ook gebruikt worden voor andere doeleinden.

10. 9. Signaal-ruisverhouding

    Marion Heeren

    Samenvatting

    Net als bij alle andere beeldvormende technieken is de SNR bij MRI bepalend voor de beeldkwaliteit. Uiteraard spelen persoonlijke voorkeuren hierbij een rol. SNR staat voor signal-to-noise ratio (signaal-ruisverhouding) en is een maatstaf die wordt gebruikt om de verhouding tussen het gewenste signaal en ongewenst ruisniveau in een signaal aan te geven. Een hogere SNR duidt op een betere kwaliteit van het signaal, omdat het gewenste signaal duidelijker te onderscheiden is van achtergrondruis. De juiste signaal-ruisverhouding is wenselijk, omdat deze helpt bij het verkrijgen van duidelijkere en betrouwbaardere beelden.

11. 10. Geavanceerde en speciale sequenties

    Marion Heeren

    Samenvatting

    Geavanceerde en speciale sequenties zijn sequenties met een speciale toepassing zoals DWI of sequenties die voor speciale doeleinden zijn ontwikkeld. Blade/Propeller/MultiVane is een TSE-sequentie waarbij gecompenseerd wordt voor bewegingsartefacten. 3D TSE heeft speciale parameters, zodat de TF hoog kan zijn zonder veel last te krijgen van blurring. Bij de snelle gradiënt echosequentie kunnen pre-pulsen gebruikt worden om het T1-contrast te verhogen. In het abdomen zijn THRIVE, VIBE en LAVA varianten op de snelle gradiënt echosequentie en in de hersenen is de MPRAGE een bekende variant. EPI is een heel snelle manier van wegschrijven van echo’s in de K-ruimte. Gecombineerd met een TSE wordt deze sequentie een GRASE genoemd. DWI is een sequentie die in het gehele lichaam gebruikt wordt. Hierbij wordt de bewegingsvrijheid van moleculen afgebeeld.

12. 11. Speciale sequenties en toepassingen: neurologie

    Marion Heeren, Ria Zuurbier

    Samenvatting

    Neurologie houdt zich bezig met de diagnostiek en behandeling van neurologische aandoeningen. Dit omvat ziekten van de hersenen, het ruggenmerg en de zenuwen. MRI-neurologie betreft de MRI-hersenen, MRI-hersenzenuwen en MRI-wervelkolom. Voor het optimaal afbeelden van neurologische toepassingen in MRI zijn speciale sequenties ontwikkeld, zoals perfusie, SWI en fMRI. Een MRI-hersenen wordt onder meer gemaakt bij de volgende indicaties: demyelinisatie en MS, ischemie, tumoren en metastasen en afwijkingen in de achterste schedelgroeve, zoals een brughoektumor. Demyelinisatie, MS, tumoren en metastasen kunnen ook in de wervelkolom voorkomen en dus een indicatie zijn voor het maken van een MRI van de wervelkolom, naast degeneratie, kanaalstenose, discushernia, radiculopathie, neurogene claudicatie en discitis.

13. 12. Speciale sequenties en toepassingen: abdomen

    Marion Heeren

    Samenvatting

    Het abdomen kunnen we opdelen in de bovenbuik (met daarin de lever en de pancreas) en de onderbuik (met het kleine bekken en de prostaat). Bij het scannen van de bovenbuik moeten ademhalingscompensatietechnieken zoals breathhold, abdominaal triggeren en navigator gebruikt worden om last van bewegingsartefacten te voorkomen. Een goede dynamische scan van de lever waarbij een laat-arteriële fase gescand wordt, is erg belangrijk voor de diagnostiek van levertumoren. Hiervoor zijn technieken als TWIST VIBE, DISCO en 4D THRIVE ontwikkeld. Ook zijn er technieken gebaseerd op de 3D stack-of-stars-techniek, zoals STAR VIBE, LAVA STAR en 3D VANE XD, waarbij de patiënt kan doorademen zonder dat er grote bewegingsartefacten zichtbaar zijn. Deze technieken kunnen ook dynamisch gebruikt worden (GRASP VIBE, DISCO Star, 4D Free Breathing). Leverkwantificatie wordt toegepast voor het kwantificeren van hemochromatose en leververvetting.

14. 13. Speciale sequenties en toepassingen: angiografie

    Marion Heeren

    Samenvatting

    De bloedvaten (MRA) kunnen op verschillende manieren worden afgebeeld: met time of flight (TOF), fasecontrastangiografie (PCA), contrast-enhanced MRA en overige angiografietechnieken. De verschillen tussen een 2D en een 3D TOF of inflow-angio en de parameters die belangrijk zijn voor het optimaal afbeelden van bloed komen aan de orde. Bij de fasecontrastangiografie wordt uitgelegd hoe het signaal gerelateerd is aan het faseverschil dat veroorzaakt wordt door stromend bloed. Het goed instellen van de Venc is hierbij cruciaal. Er wordt onderscheid gemaakt tussen het afbeelden van het bloed, de fasecontrastangiografie (PCA-M) en het kwantificeren van bloed (PCA-P). Bij contrast-enhanced MRA wordt uitgelegd waarom timing en profile order in de K-ruimte belangrijke factoren zijn. Tevens wordt ingegaan op de time-resolved MRA, waarbij de problemen met timing en profile order worden geminimaliseerd. Als laatste worden alternatieve angiografietechnieken besproken, zoals b-TRANCE, Native SPACE en IFIR.

15. 14. Speciale sequenties en toepassingen: het musculoskeletale systeem

    Johan Nahuis

    Samenvatting

    Sequenties die gebruikt worden voor het afbeelden van het musculoskeletale systeem zijn over het algemeen per anatomie gelijk. Zo is het werkpaard voor het afbeelden van kraakbeenproblemen de PD met vetsaturatie, voor het afbeelden van oedeem wordt een STIR of T2 TSE met vetsaturatie gebruikt en voor anatomische structuren een T1-, SE- of TSE-sequentie. T2-mapping kan ook gebruikt worden voor het aantonen van kraakbeenproblemen. Bij MRI-artrografie wordt er een verdund gadolinium in het gewricht gespoten om met name problemen in de schouder en de heup aan te tonen. Bij aanwezigheid van prothesen kunnen er speciale sequenties gemaakt worden, zoals de Mavrick en Semac, of kan de MARS-techniek gebruikt worden. Bij het afbeelden van tumoren in het musculoskeletale systeem moet het protocol aangepast worden en wordt na een gadoliniuminjectie een zeer snelle dynamische scan gemaakt om het aankleuringspatroon van de tumor af beelden.

16. 15. Speciale sequenties en toepassingen: het hart

    Brendan Bakker

    Samenvatting

    Bij een MRI-onderzoek van het hart worden de anatomie, de structuur van het spierweefsel en de functie van het hart in verschillende afbeeldingsvlakken met diverse scantechnieken in beeld gebracht. Voor het uitvoeren van een MRI-onderzoek is het belangrijk om kennis te hebben van de complexe anatomie en de functie van het orgaan. Daarnaast is het hart voortdurend het bloed door het lichaam aan het pompen en is het noodzakelijk om de verschillende scantechnieken te synchroniseren aan de bewegingen van het hart. De verschillende afbeeldingsvlakken, de synchronisatie met de hartcyclus (ecg-triggering) en de belangrijke scantechnieken voor een MRI-onderzoek van het hart worden besproken.

17. 16. Speciale sequenties en toepassingen: de mammae

    Johan Nahuis

    Samenvatting

    In dit hoofdstuk wordt ingegaan op MRI-mammografie. De indicatie wordt besproken en het zogenaamde multiparametrisch protocol wordt uitgelegd. Dat bestaat uit verschillende sequenties, waaronder de DWI en de dynamische scan. Verder wordt ingegaan op de BI-RADS-classificatie en op het scannen van borsten met siliconenimplantaten.

18. 17. Artificial intelligence – Deep Learning

    Marion Heeren

    Samenvatting

    De nieuwste techniek op het gebied van MRI is gebaseerd op Deep Learning, wat een subveld is van Machine Learning en valt onder artificial intelligence (AI). Computers uitgerust met Deep Learning zijn zelflerend en worden steeds slimmer. Op dit moment kunnen MRI-scanners die uitgerust zijn met Deep Learning, artefacten en ruis onderdrukken, en kunnen beelden gereconstrueerd worden met een hogere resolutie.

19. 18. Contrastmiddelen

    Anton Brouwers, Marion Heeren

    Samenvatting

    Bij MRI wordt een gadoliniumhoudend contrastmiddel gebruikt dat een T1-verkorting geeft van weefsel dat het contrastmiddel opneemt. Er zijn twee soorten gadoliniumhoudende contrastmiddelen: lineaire en macrocyclische contrastmiddelen. Ook zijn er specifieke contrastmiddelen die alleen voor een bepaalde indicatie gebruikt mogen worden zoals bij de lever en MRI-artrografie. Niet-specifieke contrastmiddelen mogen bij alle onderzoeken toegepast worden. De kans op NSF en gadoliniumretentie is veel lager bij macrocyclische contrastmiddelen dan bij lineaire contrastmiddelen. In Europa zijn hierdoor alle niet-specifieke contrastmiddelen macrocyclisch. Bijwerkingen zoals allergische reacties kunnen optreden en er zijn verschillende contra-indicaties waarbij contrastmiddelen niet toegediend mogen worden.

20. 19. MRI-veiligheid

    Ria Zuurbier

    Samenvatting

    Een MRI-scanner is een zeer sterke magneet. Alle materialen die in het lichaam gebracht zijn of mee de scanner in gaan, moeten getest zijn op veiligheid. Er is sprake van wisselende magnetische velden, veroorzaakt door gradiënten. Afhankelijk van de snelheid en sterkte van deze velden treden effecten op zoals inductie of PNS. Het lawaai van de scanner is ook een gevolg van de gradiëntschakelingen, gehoorbescherming is noodzakelijk. Een gevolg van de radiopulsen is opwarming, uitgedrukt in specific absorption rate (SAR). Deze is aan limieten gebonden, afhankelijk van het gewicht van de patiënt. De SAR is hoger naarmate de magneet sterker is. De supergeleide magneet wordt gekoeld met vloeibaar helium. De magneet staat altijd aan; uitzetten kan niet, behalve in geval van een quench. De contra-indicaties voor MRI betreffen materialen, implantaten en hulpmiddelen waarmee de patiënt niet gescand kan worden.

21. Nawerk