MRI Physics T2 ? 90 RF pulse

1
MRI Physics
?????? ???
2
?????????
??? ???? ??? ?? ??? ???? ??? ???? ??? ???? ? ???
?? ???? ???? ???
3

• MR ??? ????
• ????? ??
• ?? pulse sequences? ??
• MR angiography
• Artifact

4

• 1948? Harvard?? Purcell??? Stanford?? Bloch??
• ?? ??? ?? ????? (NMR nuclear magnetic
  resonance) ??? ??
• 1972? Lauterbur ??
• ??? 2?? NMR ??? spin-lattice relaxation time? ???
  ??
• ??? ?? ???
• Nuclear magnetic resonance imaging
• Nuclear magnetic resonance computed tomography
• Spin mapping
• Hydrogen mapping
• Zeugmatography (join?)
• Magnetic resonance imaging (MRI)
• NMR ??? ??? ?? ??? ??? ? ??? ??????? ?? ???? ????
  ???? NMR ???? ???? ??? ?? ????? NMR? N? ????
• ??? ??? ???? ??? ???? ???,
• ???, ????? ???
• ?? MRI? ?? ??? ??

5
??? MRI ??
Primary coil ??? ???? Shim coil ??? ????
?? Gradient coil ????? ?? ?? ????? ?? RF
amplifier and receiver ??? coil? RF pulse? ??
MR ??? ?? ADC analoque digital converter
6
X ray? CT ??? ??? density(??) ?? ???? ??? MRI???
4?? ????? ???? ? ??

• Spin density ????? ?? ?
• T1 ???? ?????? ????? ???? ??
• T2 ???? ? ?????? ???? ?? ??
• Chemical shift ??? ?? ?? ????? ???? ???? ??

7
MRI? ???? ?? ?? ?? ??

• ???? (atom structure)
• ??? ?? (spin and precession)
• ??? (susceptibility)
• ????? (magnetic dipole)
• ???? (angular momentum)
• ????? (gyromagnetic ratio)

8

• ??? ?? ??? ??????
• ?? ???, ???, ???, ?? ???? ??????
• ???? ??? ?? ??? ???? ????
• ?? ?? ????? ??? ???? ??? ????? ???
• ??? ???? ?? ???? ?? ???? ?? ?? ??
• ???? ????? ???? ??????? ???
• ????????? ??? ???? ?? ?? ????
• ??? ?? ??? ??? ???? ???? ? ?????

9

• ???? ?? (magnetic axis)? ???? ??(spin)
• ??? ?? ??? ??? ??? ???? ????
• (??? ???? ???? ??? ?????)
• ??? ??? NS ? ?? ???? ??? ????? ??
• ?? ???? ????? ??? ???? ???? ??
• ?????? ??? ??? ???? ??? ???? ???? ??
• ?? ??????? ?????? ???? ?? ?????
• ??? ????

10

• ???? (angular momentum) ??? ????? ??
• ????? ??? ??? ???
• ????? ??? (torque)? ??? ????? ????? ????
• ?????? ??
• ????? spinning? ?? ???? ? ??? ??
• ?? ?? ??? ??? spinning, ??? ??????
• ?????? ??? spin?? ?? ? ???? ????
• (spin angular momentum)?? ??

11

• ?? ?? spin, ????? ?? ?? ??
• ?? ??? ??? ???? ?? ???? ??????? ???? ??? ???
• spin angular momentum? ???? ???? ??? ????
• ??? ??? ?? ??? ???? ??? ?? ????
• ?? ?? ?? ???? ???? ?? ??? ????, ??? ????? ??
• ???? net angular momemtum? 0 ? ??
• ??? ferromagnetic material? ?? ?? ??? ?? ???
  ????
• unpaired electrons? ??? ????? ???

12

• ??? (magnetic susceptibility magnetizability)
• ?? ??? ?????? ??? ? ? ??? ?? ???? ?????
• ???? ??? ?? ??, ? ??? ?????? ??? ?? ?? ??
  
• ?????? ??? ?? ?????
• ?????? ?? ???? ??, ?????? ???? ??
• ?? ??? ????? ? unpaired electron? ?? ????
• ??? ?? ?????? ?? ??? ?????? ??
• ???, ???, ???, ?????? ??

13

• ???(diamagnetic)
• 10 -5 ??? ?????
• ???? ??? ??? ??
• ??, ??, ?, ??, ???
• ???? ??? ?? ??? ??

• ???(paramagnetic)
• 10 -3 ??? ?????
• Gd?? ???? MRI ???, ??, ??, ???,
• ??, ????, Fe 2, Fe 3
• ?? ??? ?? ??? ?? ?????? ???? ? unpaired
  electron?
• ?? ???? ???? ????, ????? ?????? ????

14

• ??? (ferromagnetic)
• 10 4 ??? ?? ?????
• Fe3O4?? ?? ???
• 0.1 µm ?? ??? ?????? ????
• ????? ?????? ??? ??? ??? ?????? ????.

• ???? (superparamagnetic)
• ????? ?? ??? ????? ?? ???
• ?? ????? ????? 5 35 nm ?? ??
• Hemosiderin, SPIO (superparamagnetic Iron Oxide)
• ?????? ??

15

• ??? ???? ???? ??? ?? ???? ??? ????? ??
• ??? ??
• ???? ???? ???? ???? ???
• ????? ?? ??? ????, ????? ?? ????? ??
• ??? ?? ????, ????? ?? ?? ??????? 0? ??
• ???? ?? ????? ?? ??? ?? ???? ???? ??
• ????
• ?? ???? ????? ??? ??? ???? ? ??? ????
• ??????? ?? ? ??
• ? ??? 0?? MRI? ?? ? ??

16
?????
??? ???? (????) ? ??? (???? ????)? ?? ????
????? ???? ????
???? ???? ???? ?????
?? ??? ?? ??? ??
???? ????? ????? 0???? ??? 0 ?? ?? 12C, 16O ????
MRI ???
17
?? ???? ???? ?? ??? ?? ??? ??? ???? ??? (1/2,
3/2, 5/2)? ????? ???
18
?? ???? ???? ????? ???? ?? ??? ?? ???? ?? ??
??? ?? ???? ??? ?? (1,2)? ????? ???
19

• ????? S?? ? ??? 2S 1?? ??? ??? ???
• ?? ?? ???? ????? ½ ??? 2 (1/2) 1 ?,
• ? 2?? ??? ??? ???
• ? ??? ??? (???? ??? ???? ???) ??
• ½ ?? (parellel upper)? ½ ??
  (anti-parellel lower) ??
• ? ??? ??? ?? ???? ?????? ??
• ?? ??? ½, ????? ½ ??? ???? ??

20
???? - vs - ????
??? ????? ??? ?? ?????? ????? ??? ???? (?? ????)
?? ??? ??? ??????? ??????? ???? ?????? ??? ??
???? ????? ???
21

• ??????? ???? ??? ???? ????
• ???, ?? ?????? ????, ? ?????? ???
• ?? (parellel), ?? ??? (anti-parellel)?? ????

22

• ??? ??? ??? ??? ?? ??? ??? ????? ?? ???
• ??? anti-parellel ??? ??? ??? ?? ??
• ?? ?????, ? parellel ?? ??? ?? ???? ?? ? ?? ??

23

• ? ??? ??? ??? ??? ??? ? ???
• ??? ?? / (?? X ????) ? ??? ? ??
• ? ??? ??? ?? ??? ????? ???? ?? ? ???
• ??? ??? ?? ????
• ??? ??? ?? ???? ?????? ??? ????? ??
• ???? ?????? ????? ??? ??? ??? ??? ???
• ??? net magnetization? ???? ?? ???? ?????
  ???

24

• ???? ?????? ?? ??? parellel ?? anti-parellel?
• ??????
• ?? (precession) ??? ??? ?????? ?? ????
• ? ?????

25
???? ??? ?????? ?? ??? ???? torque? ????
26

• ??? ?? ?????? torque? ???? ????? ??
• ??? ??? ??? ?? ???
• ??? ?? ?? ??? ?????(?????) ???? ??(spinning
• material)? ???? ?? ??? ??? ???? ?? ??? ????
• ????? ???? ??

27
???? ???? ??? ??????
Larmor ??? ????? ?? X ?????? ??

• ? ?????? ???(???) ? ??? ????
• ?? tesla ??? ???? ????? ???? ?? ????? ????
• ???? ??? Gauss? ??
• 1 tesla? 1???
• ? 1.5T? 15000 Gauss? ??? ????
• ?? ???? 0.3 0.7 Gauss ????

28

• ????? ?? X ?????? ??
• ? ???? ??? gyromagnetic ratio??
• Gyromagnetic ratio? ???????? / (??? X ?????)?
• ????
• ? ??? ????????? ???? ???? ?????
• ??? gyromagnetic ratio? ?????
• 1 tesla? ?? ??????? gyromagnetic ratio? 42.58
  ???
• 1.5 tesla?? ???? ?????? 42.58 X 1.5 63.87
  MHz

29
?? ??? ?? ??? ???? ???? ???? ??? ??? ? ??
30
???? ?? ????? ?? ?? ??? ?? parellel??? 9???
anti-parellel??? 5??? ?? ??? ??? parellel??? 4?
???
31

• ?? ?? parellel ??? ??? ??? ?? X,Y,Z ??? ????
• ????? ?? X,Y ???? ?? ??? ?? Z ???? ???
• ??? ?? ???
• ?? ??? (net magnetization), ?? ???? (net
  longitudinal
• magnetization)?? ??

32
?? ?? ?????? ??? ???? parellel? ??? ??????
longitudinal magnetization? ??? ???
33
??? ?????? ?????? ???? ???? ??? ?? ???? ???? ???
??? ? ??
34

• ??? ???? ???? ? ??? ???? ?????? ???
• ??? ??
• ??? ?????? ???? ????? ?? ????
• (radiofrequency pulse RF pulse)? ??? ????
• ????? ??? ????? ??? (frequency), ?? (amplitude)?
• ??? ? ? ??? ?? ????? ??? ?? (duration)? ???
• ? ? ??
• ??? ??? ?? ????? ?? ???? ??? ????
• ???? ?? ??? ????

35

• ??? ??? ??? ??? ?? ? ??? ??? ? ?
• ?? ??? ??? ?? ??? ??? ??? ????
• ???? ???? ???? ?? ??? ???
• flip?? ??

36

• ? flip? ???? ???? ?? ??? ?????
• ???? Lamor ???? ?? ???
• ? ?????? ?? ???? ??? ???
• flip? ????? ???

37

• ? ???? ?? ??? ??? ???? RF pulse?
• ???? ?? ?? ??? ??? ??? ????
• ?? ?? RF pulse? ?? ?? ??? ??? ???
• ???? ??

38

• ? ???? ??? ??? ?? ??? ??? ?? ???? ? ???
• ?????? ?? (RF pulse)? ??
• ????? 10 7-9 Hz? ??? ???
• ?? ?? ?? ?? (microsecond) ???? ????

39
RF pulse? ??? ?? ??? ????

• ?????? ????
• ?????? ???

40

• ??????
• ???? ??? parellel ??? ????? ?? ???? ???
  anti-parellel
• ??? ??
• ????? ?????? ??? ????? ?????? ??????
• (longitudinal magnetization) ????
• ???? ???? RF pulse? ??? ?? ?????? ???? ??? ?? ?
• ??? ??? ?????? ???? ? ?? ??

41

• ??????
• X,Y ??? random? vector? ?? ?? ????? ????? ?????
  ??
• (in phase ??? ???? ???) X,Y ???? ???
  vector? ???
• ??? ????? ??? ??? ?????? ????? (transverse
  magnetization),
• ?? ? ?????? X,Y ??? ?? ???? ??? ?????? ????

42

• ?????? ?????? ??? ???? ???? ??? ? ??
• ???? ?? ?????? vector? ?????? ??? ?????
• ????? ????
• ???? ?? ???? ????? ????? (receiving coil)?
• ??(??)? ???? ??? ?? ????? ??? ??? ???

43
RF pulse? ?? ???? ?????? ?? (excitation)??? ??
???? ???? ?? ?? (saturation)??? ??
44
???? ?????? ??? ??? parellel, anti-parellel ??
???? ???? ?? ?? ???? ??? ??????? ??? ? ???? ????
??? RF pulse? ?? ?????? ???? ?????? ?? ??? ???? ?
??? ??? ? ??
45
?? RF pulse? ??? ??? ???

• ??? ??? ????
• ?????? ?? ???? ?????? ????
• ??? ???? ?? (relaxation)?? ??

46

• ??? ??!
• ???? ?????? ???? ?? ??? 2?? ??? ??? ??
• ???(free water)? ??? (bound water)? ??
• ???? ??? ???, ??, ?? ? ????? ??? ?? ??????
• ??? ???? ???
• ???? ???? ???? ??? ?? ???
• ? ????? ???? ??? ???? ???? ??

47

• ?????? ??
• RF pulse? ??? ? ???? ???? ?????? ???? (anti-
• parellel) ??? ??? ???? ?? ???? (parellel) ???
  ????
• ??? ??? ?? vector? ?? ??????? ???? ?? parellel
• ???? ????
• ?? ???? (longitudinal relaxation)?? ??

48

• ??? ??? ??? ??? ? ?
• RF pulse? ?? ???? ???? ?? ??? ???
• ????? ??? ???? ?? ? ?? (lattice)? ???? ??? ????
• ??? ?????? ???? ???? ??? ??? ?????
• ?? spin-lattice relaxation?? ??
• ?? ???? ???? ??? ??? ????? ??? ??? ??????
• -gt ???? ??? ??? ???
• -gt ????? ??
• ???? ??? ???? ????? ????? ?? ? ???? ??
• -gt ??? ??? ???
• -gt ????? ??

49

• T1 ?? - RF pulse? ???? ?
• ??? ?? ?????? ??? ???? ??
• T1 ?? - ????? 63?? ???? ??

50
???? T1 ????? ???? ???? ?? ???? ?????? ???
????? ?? ?? ??? ????? ?? ? ???? ????? ??? ??? ???
?? ???? ??
51

• ?????? ??
• ??? ??? ????? X,Y ??? ??? (in phase) ??? ????
• ??? vector?? ?? ???? ??? random ??? ?? ????
• ??? (dephasing)? ????
• ??? ?? vector?? ?? ?????? ??? ?? ???? ??

52

• ?????? ??? ????? ?? ????
• ???? ??? ??
• ?????? ????? 63? ???? ???
• T2 ???? ??

53

• T2 ??? ????? ??? ??? ??
• spin-spin relaxation?? ??
• ?? ???? ??? ??? ????? T2??? ???
• ???? ?? ????? ???? ???? ?? ? ??
• ???? T2????? T1?????? ??
• T1 ??? T2 ??? ??? ????? ???
• ?? ????? ???? ????

54
90o pulse

• ?? ?? RF pulse? ??? parellel? anti-parellel?
  ???? ?? ?? ???
• ?????? 0 ? ?? ??? ??? RF pulse ???? ??
  in-phase? ??
• ?????? ?? ???
• ?? Z??? ?? ?????? ?? 90? ???? (?? ?????) X,Y
• ???? ?? ????? ????? ??? ??? RF pulse? 90
  pulse? ??

55
?? RF pulse? ??? ? ?? ? ?????? ??? ??? vector?
??? ??? ????? - ???????? ???
56
FID (free induction decay)

• ??? ?? ????? ?????? ??? ?? ??? ??? ??
• ??? ????? ???? ?????? ???? ?? ??? ???
• FID (free induction decay)? ??
• ??? ? ??? ?? ?? ????? MRI? ????? ?????

57
?? RF pulse? ??? ??? ?? ? ???? ??? ??? ????
58

• ?? A? ?? B? ?? ????? ?? ????
• ??? 90 RF pulse? ? ? A,B ?? ??? ??? ?? ?? 90 RF
  pulse?
• ??? ???? ??? ?????? ??? ?? ???

59

• ??? ?? ??? ??? ???? ?? ??? RF pulse? ?????
• ????? ???? ??? ?????? ??? ?? ?????
• ? ??? ?? ??? ?? ??A?? ? ????

60
?? ?????? ??? RF pulse? ???? ?? ?????? ??? ????
61

• ?????? ??? ? (?????? ??? ?? T1 ???
• ??) ??? A?? ?????? ??? ?? ????
• ??? ?????? ?? ???? ??? ??? ?? A??
• ?? ????

62

• RF pulse? ??? ??? ???? ?? ? ?????? ??
• ????? ?? ??? ?? ????? ???
• ? RF pulse? ? ?? ?? ?????? ?? ? ?????? ???
• ??? ?? ??? ??
• ?? ???? (steady state)? ??

63

• ???? ??? ???? ?????? ??? ???? ????
• artifact? ???
• ??? ????? ?????? ??? ?? ??
• ?? ??? (dummy pulse)? ??

64

• ?? RF pulse? ?? ????? TR (time to repeat)? ??
• TR? ???? ??? ?? T1 ????? ??? ?? ?????
• ??? ?? ???? ? ?? ?? ?? ???? ? ?? ??
• (?? ?? ???? ??? T1 ???????)

65

• T1 ???? (T1-weighted image)
• ?? ?? T1 ????? ??? ?? ????? ??? ????
• ??? ???? ?? T1 ???? (T1-weighted image)?? ??
• ? T1 ??? ???? ????? ?? (???? ??? high SI),
• T1 ??? ???? ????? ?? (???? ?? low SI) ????
• ? T1 ?????? ???? ?? ? ?? (tissue contrast)? ???
• ??? ???? T1 ????? ????

66

• T2 ????? ??? ????
• 90 RF pulse? ???? in phase???? ???????
• dephasing?? ????
• ?? dephasing ???? 180 RF pulse? ??? ???
• ?? ??? ?????

67

• dephasing?? ????? 180? ????
• ?? rephasing ???
• ?? in phase ??? ?? ?? ?? ??? ????

68

• 180 RF pulse? dephasing?? ????? 180? ????? ???
• ?? rephasing ???
• ??? 180 RF pulse? ? ???? ? ???? ?? in phase ???
• ?? ?? ?? ??? ????
• ???? ??????? ?? ?? in phase ?? ?? ???
• ??? (echo)? ??? ???
• ? ? ? ?? ??? TE (time to echo)? ?? ?? 180 RF
  pulse?
• ? ??? 2?? ????

69
??? ??? ??? ???????? ?? ?? ? ??? ?? ??? ?? ???
???? ? ????
70

• ?????? in phase?? ???? dephasing?? ???
• ???? ???? ???? ? ????? ?????? ?????
• ?????? ???? ???? ??
• ??? 180 RF pulse? ?? ?????? ????? ????
• ????? ??? 180 RF pulse? ???? ???? (dephasing
• ?? ??????)? ?? ??? ??? ??? ??
• 180 RF pulse? ??? ?? ??? T2 ???? ??, ?? ??
• ???? ??? T2 ???? ??

71

• ?? ????? ???? ????? dephasing? ??
• ????? ?? dephasing? ??? ??? ??????
• ??? ? ?? ?? dephasing? ???? ??
• rephasing lobe (????? ?????)? ????
• ?? ??????? ????? ?? ??? ???? ??
• ????? ???? ??

72

• ?? ?? T2 ????? ?? ? ??? T2 ????
• A? T2? ? ?? ??? ?????? ? ?? ????
• ? ????? ? ?? ????
• TE? ?? ?? T2 ????? ?? ???? ???
• ? ?? ??? ? ??

73
?? TE? ?? ??? T2 ? ??? ? ??? ? ?? ??? ?? ???
?????? ?? ???? ????? ??? ??? ?? ??
74
???? ?? Short TR lt 500 msec Long TR gt 1500
msec Short TE lt 30 msec Long TE gt 80 msec
75
TR? ?? ? ?? T1 ? ???? TE? ?? ? ?? T2 ? ????
short TR, short TE??
T1? ???? T2? ???? ????
T1 ????? ??
76
TR? ?? ? ?? T1 ? ???? TE? ?? ? ?? T2 ? ????
long TR, long TE??
T1? ???? ?? T2? ?????
T2 ????? ??
77
TR? ?? ? ?? T1 ? ???? TE? ?? ? ?? T2 ? ????
long TR, short TE??
T1? T2? ???? ??? ?? ??? ????
??? ?? ??? ?? ???? ??? ???????
proton density image ?? intermediate weighted
image
78
TR? ?? ? ?? T1 ? ???? TE? ?? ? ?? T2 ? ????
short TR, long TE? ?? ?? ??????? ?????? ? ???
(short TR), ??? ?????? ???? ????? (long TE),
?? ???? ??? ?? ?? ??? ??? ?? ? ??