Electromagnetics-MRI
-
Upload
mecha-e-lectra -
Category
Documents
-
view
111 -
download
0
Transcript of Electromagnetics-MRI
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 1/8
Aplikasi Elektromagnetika:
Magnetic Resonance ImagingRizqy Pratama Rahman - 1006772254
Teknik Elektro Universitas Indonesia
Abstrak - Magnetic Resonance Imaging(MRI) adalah suatu alat diagnostik
mutakhir untuk memeriksa dan
mendeteksi tubuh dengan menggunakan
medan magnet dan gelombang frekuensi
radio, tanpa operasi, penggunaan sinar X
ataupun bahan radioaktif.
Adapun kelebihan yang dimiliki
teknologi MRI adalah kemampuannya
membuat potongan koronal, sagital,
aksial dan oblik tanpa banyak memanipulasi posisi tubuh pasien
sehingga sangat sesuai untuk diagnostik
jaringan lunak.
Secara garis besar instrumen MRI
terdiri dari:
Sistem magnet
Sistem pencitraan
Sistem frekuensi radio
Sistem komputer
Sistem pencetakan citra
Kesimpulannya, Pemanfatan MRI
untuk memeriksa bagian dalam tubuh
sangat efektif karena lebih detail dan
akurat. Pesawat MRI menggunakan
efek medan magnet dalam membuat citra
potongan tubuh, sehingga tidak
menimbulkan efek radiasi peng-ion
seperti penggunaan pesawat sinar X.
I.
Introduction
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
adalah suatu alat kedokteran di bidang
pemeriksaan diagnostik radiologi , yang
menghasilkan rekaman gambar potongan
penampang tubuh / organ manusia
dengan menggunakan medan magnet
berkekuatan antara 0,064 – 1,5 tesla (1
tesla = 1000 Gauss) dan resonansi
getaran terhadap inti atom hydrogen.
Teknik penggambaran MRI relatif komplek karena gambaran yang
dihasilkan tergantung pada banyak parameter. Alat tersebut memiliki
kemampuan membuat gambaran
potongan coronal, sagital, aksial dan
oblik tanpa banyak memanipulasi tubuh
pasien. Bila pemilihan parameternya
tepat, kualitas gambaran detail tubuh
manusia akan tampak jelas , sehingga
anatomi dan patologi jaringan tubuh
dapat dievaluasi secara teliti. Untuk itu
perlu dipahami hal-hal yang berkaitandengan prosedur teknik MRI dan
tindakan penyelamatan bila terjadi
keadaan darurat.
MRI merupakan study pilihan bagi
evaluasi pada sebagian besar lesi pada
otak dan spinal. MRI melakukan scan
tehadap nucleus hydrogen yang
merupakan atom terbanyak dalam tubuh
manusia.
Berdasarkan dari kondisi yang ada
maka, prinsip dasar dari cara kerja suatu
MRI adalah menghasilkan medan magnet
dengan kekuatan 3000 kali dari medan
magnet bumi. Inti atom Hidrogen yang
ada pada tubuh manusia (yang
merupakan kandungan inti terbanyak
dalam tubuh manusia) berada pada posisi
acak (random), ketika masuk ke dalam
daerah medan magnet yang cukup besar
posisi inti atom ini akan menjadi sejajar
dengan medan magnet yang ada.Kemudian akan dikirimkan
radiofrekuensi yang akan menyebabkan
fibrasi dari inti atom Hidrogen. Saat
diberikan frekuensi radio , maka atom H
akan mengabsorpsi energi dari frequensi
radio tersebut. Akibatnya dengan
bertambahnya energi, atom H akan
mengalami pembelokan, sedangkan
besarnya pembelokan arah, dipengaruhi
oleh besar dan lamanya energi radio
frekuensi yang diberikan. Sewaktu radiofrekuensi dihentikan maka atom H akan
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 2/8
sejajar kembali dengan arah medan
magnet . Sinyal radio yang dihasilkan
akan direkam dan direkonstruksi menjadi
gambaran jaringan.
Secara ringkas, proses terbentuknyacitra MRI dapat digambarkan sebagai
berikut: Bila tubuh pasien diposisikan
dalam medan magnet yang kuat, inti-inti
hidrogen tubuh akan searah dan berotasi
mengelilingi arah/vektor medan magnet.
Bila sinyal frekuensi radio dipancarkan
melalui tubuh, beberapa inti hidrogen
akan menyerap energi dari frekuensi
radio tersebut dan mengubah arah, atau
dengan kata lain mengadakan resonansi.
Bila sinyal frekuensi radio dihentikanpancarannya, inti-inti tersebut akan
kembali pada posisi semula, melepaskan
energi yang telah diserap dan
menimbulkan sinyal yang ditangkap oleh
antena dan kemudian diproses oleh
komputer dalam bentuk radiograf.
Adapun jenis pemeriksaan MRI
sesuai dengan organ yang akan dilihat,
misalnya :
• Pemeriksaan Kepala
• Pemeriksaan Otak
• Pemeriksaan Tulang
Belakang
• Pemeriksaan Abdomen
• Pemeriksaan Thorax
MRI bila ditinjau dari tipenya terdiri dari
MRI yang memiliki kerangka
terbuka (open gantry) denganruang yang luas
MRI yang memiliki kerangka
(gantry) biasa yang berlorong
sempit.
(open gantry)
(gantry)
Sedangkan bila ditinjau dari kekuatan
magnetnya MRI terdiri dari :
• MRI Tesla tinggi ( High Field
Tesla ) memiliki kekuatan di atas
1 – 1,5 T
• MRI Tesla sedang ( Medium Field
Tesla) memiliki kekuatan 0,5 – T
• MRI Tesla rendah ( Low Field
Tesla) memiliki kekuatan dibawah 0,5 T.
II. Instrumen MRI
Secara garis besar instrumen MRI
terdiri dari:
1. Sistem magnet yang berfungsi
membentuk medan magnet.
2. Sistem pencitraan yang berfungsimembentuk citra yang terdiri dari 3 buah
kumparan
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 3/8
koil, yaitu :
a. Gradien koil X, untuk
membuat citra potongan sagital
b. Gardien koil Y, untuk
membuat citra potongan koronalc. Gradien koil Z untuk
membuat citra potongan aksial
Bila gradien koil X, Y dan Z bekerja
secara bersamaan maka terbentuk
potongan oblik.
3. Sistem frekuensi radio yang
berfungsi membangkitkan dan
memberikan radio frekuensi serta
mendeteksi sinyal.
4. Sistem komputer yang berfungsi
untuk membangkitkan urutan pulsa,mengontrol semua komponen alat MRI
dan menyimpan memori beberapa citra.
5. Sistem pencetakan citra, berfungsi
untuk mencetak gambar pada film
Rongent atau untuk menyimpan citra
III. Prinsip MRI
1. PRINSIP MAGNETIC RESONANCEIMAGING
Prinsip resonansi inti magnetik untuk
pencitraan medis pertama kali
ditunjukkan oleh Raymond Damadian
pada tahun 1971 dan Paul Lauterbur pada
tahun 1973. Nuclear magnetik resonance
(NMR) adalah Fenomena sistem magnet
yang memiliki dua momen magnetik dan
momen sudut. Dalam pencitraan
resonansi magnetik (MRI), sinyal induksi
elektromagnetik berbasis frekuensi
resonansi magnetik di kisaran frekuensi
radio (RF) dikumpulkan melalui
resonansi magnet inti dari eksitasi inti
dengan momen magnetik dan momentum
sudut yang dihasilkan tubuh.
Semua bahan terdiri dari inti yaitu
proton, neutron atau kombinasi keduanya.
Inti yang bernomor ganjil dari proton,
neuron atau keduanya dalam kombinasi
memiliki spin inti dan momen magnetik.
Kebanyakan bahan terdiri dari
beberapa inti yang memiliki momen
magnetik seperti1H,
2H
13C,
31Na, dll.
Ketika bahan tersebut ditempatkan
pada medan magnet yang besar, magnetik dipole (proton proton) tubuh pasien akan
searah (parallel) dan tidak searah
(antiparallel) dengan kutub medan
magnet pesawat. Selisih proton proton
yang searah dan berlawanan arah amat
sedikit dan tergantung kekuatan medan
magnet pesawat dan selisih inilah yang
akan merupakan inti bebas (tidak
berpasangan) yang akan membentuk
jaringan magnetisasi.
Dipole yang membentuk jaringanmagnetisasi tersebut cenderung dengan
arah kutub medan magnet pesawat MRI
(B0) – dikenal juga dengan arah
longitudinal (Z axis). Jaringan
magnetisasi itu sulit diukur karena arah
induksi magnetnya sama dengan arah
induksi magnet pesawat, sehingga
dibutuhkan perubahan arah induksi
magnet dari dipole dipole tersebut dengan
menggunakan gelombang radio. Dipole –
dipole selain terus melakukan spin juga
melakukan gerakan relatif. Gerakan
relatif tersubut serupa dengan gerakan
permukan gasing (spinning to toy) yang
disebut gerakan presesi. Frekuensi
berputar atau presesi dari spin disebut
frekuensi presesi Larmor dan sebanding
dengan kuat medan magnetik. Keadaan
energi bagian inti di arah antiparalel
lebih tinggi daripada bagian inti di arah
paralel. Ketika sebuah radiasielektromagnetik luar di frekuensi Larmor
diterapkan melalui kumparan RF (karena
frekuensi magnet alami inti ini jatuh
dalam rentang frekuensi radio),beberapa
inti yang dalam arah paralel tereksitasi
dan pergi ke keadaan energi yang lebih
tinggi, menjadi di arah antiparalel ke
medan magnet luar ke arah antiparalel.
keadaan energi yang lebih rendah
memiliki populasi spin yang lebih besar
daripada keadaan energi lebihtinggi. Dengan demikian, melalui aplikasi
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 4/8
dari sinyal RF, kumpulan spin juga
terpengaruh.
Ketika eksitasi sinyal RF dihapus,
bagian yang tereksitasi cenderung untuk
kembali ke kondisi energi yang rendahmelalui relaksasi dan akan kembali ke
kondisi semula. Proses relaksasi
menyebabkan emisi sinyal frekuensi RF
sama frekuensi Larmor yang diterima
oleh kumparan RF untuk menghasilkan
sinyal potensial listrik disebut free-
induction decay (FID). Sinyal ini menjadi
dasar dari pencitraan MR.
Pemberian medan magnet luar H0,
frekuensi sudut (Larmor), ω0 dari presesi
inti dapat dinyatakan:ω0 = γH0
Dengan demikian, frekuensi
presesi tergantung pada jenis inti dengan
spesifik gyromagnetic rasio γ dan
intensitas medan magnet eksternal. Ini
adalah frekuensi inti yang dapat
menerima energi frekuensi radio (RF)
untuk mengubah kadaan mereka untuk
menunjukkan resonansi inti magnetik.
eksitasi inti kembali ke kesetimbangan
termal melalui proses relaksasi
memancarkan energi pada frekuensi
presesi yang sama, ω0.
Hal ini dapat ditunjukkan bahwa
selama pulsa RF (fase eksitasi inti ), laju
perubahan jumlah stasioner vektor
magnetisasi M dapat dinyatakan sebagai
(persamaan Bloch):dimana H adalah
medan magnet efektif.
Mengingat respon total sistem
spin dalam keberadaan medan magnetluar bersama dengan pulsa RF untuk
eksitasi inti diikuti oleh fase relaksasi
inti, perubahan vektor magnetisasi dapat
dinyatakan sebagai:
Dimana Mz adalah jumlah vektor
magnetisasi dalam kesetimbangan termal
di hadapan suatu medan magnet
eksternal H0 saja, dan T1 dan T2 adalah,
berturut-turut, waktu relaksasi
longitudinal (spin-kisi) dan transfersal
(spinspin) dalam fase relaksasi inti saat
eksitasi inti kembali ke keadaan
kesetimbangan termal mereka.
Dengan kata lain, waktu relaksasi
longitudinal, T1 merupakan kembalinya
vektor magnetisasi dalam arah z untuk keadaan setimbang termal sementara
waktu relaksasi transversal, T2,
merupakan hilangnya koherensi atau
dephasing spin yang mengarah ke vektor
nol bersih pada bidang x-y. Magnetisasi
longitudinal dan transversal vektor
sehubungan dengan waktu relaksasi
dalam sistem koordinat stasioner
sebenarnya, dapat diberikan oleh: dimana
Mx,y(0) merupakan vektor magnetisasi
transversal awal dengan waktu yangditetapkan ke nol pada akhir pulsa RF
dari durasi τp.
Selama imaging, pulsa RF,
ditranmisikan melalui kumparan RF
menyebabkan inti eksitasi mengubah
vektor magnetisasi longitudinal dan
transversal. Setelah pulsa RF dimatikan,
eksitasi inti melalui fase relaksasi
memancarkan energi yang diserap pada
frekuensi Larmor yang sama yang dapat
dideteksi sebagai sinyal listrik, yang
disebut peluruhan induksi bebas (FID).
FID adalah raw sinyal NMR yang dapat
diperoleh melalui kumparan RF yang
diset pada frekuensi Larmor.
Gambar 3 memberikan gambar MR
aksial, koronal dan sagital bagian
melintang dari otak. Rincian struktur
materi abu-abu dan putih jelas dalam
gambar. Fig. 3. (from left to right): axial,
coronal and sagittal cross-section MRimages of a human brain.
2. PRINSIP PEMBENTUKAN GAMBAR
Respon sistem pencitraan harus
konsisten, terukur, dan independen dari
posisi spasial obyek yang tergambar.
Suatu sistem dikatakan akan linier jika
memenuhi dua sifat berikut: scaling dan
superposition. Dalam representasi
matematis, dapat dinyatakan sebagai:
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 5/8
h{aI 1( x, y, z) + bI 2( x, y, z)}
= ah{ I 1( x, y, z)} + bh{ I 2( x, y, z)},
di mana a dan b area faktor perkalian
skalar, dan I1(x,y,z) dan I2(x,y,z) adalah
dua masukan kepada sistem diwakili olehrespon fungsi h.
Perlu dicatat bahwa dalam situasi
dunia nyata, sulit untuk menemukan
sistem gambar formasi linear sempurna.
Sebagai contoh, respon film fotografi
atau detektor X-ray tidak dapat linear
selama rentang seluruh operasi. Namun
demikian, di bawah pembatasan kondisi
dan eksposur terbatas, respon dapat
dibilang linear. Juga, sistem nonlinier
dapat dimodelkan dengan sifatsesepenggal linier di bawah pertimbangan
operasi tertentu.
Secara umum, pembentukan citra
merupakan proses lingkungan. Seseorang
dapat mengasumsikan energi radiasi
seperti sumber cahaya untuk menerangi
objek diwakili oleh fungsi f(α,β,γ).
Menggunakan sifat aditif distribusi energi
radiasi untuk membentuk sebuah gambar,
g(x,y,z) dapat ditulis sebagai:
dimana h (x,y,z,α,β,γ,f(α,β,γ)) disebut
fungsi respon dari sistem formasi
gambar. Jika sistem pembentukan gambar
diasumsikan menjadi linier, ekspresi
gambar menjadi:
Dengan kata lain, untuk sistem
pembentukan gambar LSI, gambar
diwakili
sebagai konvolusi dari distribusi energi
radiasi benda dan PSF dari sistem
pembentukan gambar. Perlu dicatatbahwa PSF pada dasarnya adalah sebuah
fungsi menturunkan yang menyebabkan
kabur di gambar dan dibandingkan
dengan response unit impulse, istilah
umum yang digunakan dalam pemrosesan
sinyal. Dengan kata lain, gambar yang
diperoleh g(x,y,z) untuk sistem
pencitraan LSI, dapat dinyatakan sebagai
konvolusi distribusi objek dengan PSF
sebagai:
g(x,y,z) = h(x,y,z)⊗ f(x,y,z) + n(x,y,z),
dimana n(x,y,z) merupakan istilah
kebisingan aditif. Menimbang Fourier
Transform, persamaan di atas dapat
dinyatakan dalam domain frekuensi:
G(u, v,w) = H (u, v,w)F (u, v,w)+ N (u, v,w),
dimana G (u, v, w), H (u, v, w) dan N (u,
v, w) adalah, masing-masing, Fourier
Transform g (x, y, z), f (x, y, z) dan n (x,
y, z) sebagai:
Pengolahan Gambar dan peningkatan
operasi dapat dengan mudah dan lebih
efektif dilakukan pada penjelaskan di atas
representasi pembentukan image melalui
sistem pencitraan LSI. Namun, keabsahan
seperti asumsi untuk sistem pencitraan didunia nyata mungkin terbatas.
3. RECEIVER OPERATINGCHARACTERISTICS (ROC)ANALISIS UNTUK MENGUKURKINERJA
Receiver operasi karakteristik (ROC)
analisis dianggap mengukur statistik
untuk mempelajari kinerja sebuah
pencitraan atau sistem diagnosisberkaitan dengan kemampuannya untuk
mendeteksi kemampuan sistem untuk
mendeteksi ketidaktelitian dan reliable
tanpa menyediakan deteksi palsu.
Dengan kata lain, analisis ROC
menyediakan sebuah analisa sistematis
tentang sensitivitas dan spesifisitas test
diagnostik.
Mari kita asumsikan jumlah kasus
pemeriksaan yang akan dijadikan Ntot,
diluar kasus NTPyang mempunyaikeadaan benar-benar positif dengan
keberadaan objek yang sebenarnya dan
kasus yang tersisa, NTN, yang mempunyai
keadaan benar-benar negatif dengan
ketiadaan objeknya.. Mari kita andaikan
kasus-kasus ini diperiksa meskipun tes ini
perlu kami evaluasi keakurasinya,
kesensitivitasnya dan faktor spesifitasnya.
Menimbang pengamat tidak
menyebabkan hilangnya informasi atau
salah tafsir, biarkan Notp(true positif)
menjadi jumlah pengamatan positif dari
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 6/8
kasus keadaan yang benar-benar positif
NTP dan Nofn(palsu negatif) menjadi
jumlah pengamatan negatif dari kasus
keadaan yang benar-benar positif Ntp.
Juga, biarkan Notn (true negatif) menjadi jumlah pengamatan negatif dari kasus
keadaan yang benar-benar negatif Ntn.dan
Nofp(positif palsu) menjadi jumlah
pengamatan positif dari kasus keadaan
yang benar-benar negatif Ntn. Dengan
demikian,
Ntp = Notp + Nofn
Dan
Ntn = Nofp + Notn.
Hubungan berikut dapat dengan
mudah diturunkan dari definisi di atas.(1) True positif fraksi (TPF) adalah
rasio jumlah pengamatan positif terhadap
jumlah kasus keadaan yang benar2
positif.
TPF = Notp / Ntp
(2) False negatif fraksion (FNF)
adalah rasio jumlah pengamatan negatif
terhadap jumlah kasus keadaanyang
benar2 positif.
FNF = Nofn / Ntp
(3) False positif fraksion (FPF)
adalah rasio jumlah pengamatan positif
terhadap jumlah kasus keadaan yang
benar-benar negatif.
FPF = Nofp / Ntn
(4) True negatif fraksi (TNF)
adalah rasio jumlah pengamatan negatif
terhadap jumlah kasus keadaan yang
benar-benar negatif.
TNF = Notn / Ntn
Ini harus dicatat bahwa:TPF + FNF = 1
TNF + FPF = 1.
Fig. 7. ROC curves with curve “a”
indicating better overall classification
ability than the curve “b” while the curve
“c” shows the random probability.
Grafik antara TPF dan FPF disebut kurva
(ROC) untuk pencitraan medis tertentu
atau tes diagnostik untuk mendeteksi
objek. Juga harus dicatat bahwa statistik
percobaan acak dengan probabilitas yangsama pengamatan positif dan negatif akan
mengakibatkan garis lurus diagonal
ditempatkan-sebagai kurva ROC. Tes
yang berbeda dan pengamat yang berbeda
dapat menyebabkan perbedaan kurva
ROC untuk pendeteksion objek yangsama. Gambar 7 menunjukkan 3
perbedaan kurva ROC yang berbeda
untuk deteksi hipotetis / diagnosis.Hal ini
dapat dicatat bahwa pengamat sesuai
dengan kurva “a” jauh lebih baik dari
pengamat “b.” TPF, juga disebut
sensitivitas sementara TNF dikenal
sebagai spesifisitas tes untuk mendeteksi
objek. Akurasi dari tes ini diberikan oleh
rasio pengamatan yang sebenarnya
terhadap jumlah kasus pemeriksaan.Dengan demikian,
Akurasi = (TPF TNF) / Ntot.
Dengan kata lain, modalitas pencitraan
yang berbeda dan pengamat yang berbeda
bisa menyebabkan tingkat akurasi yang
berbeda, sensitivitas dan spesifisitas.
Untuk memulai proses memindai,tubuh pasien diletakkandi pusat
atau isocenter magnetis dari MRI.
Struktur atom hidrogen dalam
tubuh manusia saat diluar medan
magnet mempunyai arah yang
acak.
saat diletakkan dalam MRI
(gantry), maka atom H akan
sejajar dengan arah medan
magnet.
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 7/8
Saat diberi frequensi radio , maka
atom H akan mengabsorpsi energi
dari frequensi radio tersebut.
IV. Sistem Magnet
Sebagai inti dari MRI adalah magnet
untuk menghasilkan medan magnet statis.
Berikut adalah 3 macam magnet yang
sekarang dipakai dalam sistem MRI:
Magnet tetap (Permanent
Magnet/PM)
Magnet resistif (Resistive
Magnet/RM)
Magnet superkonduktif
(Superconductive Magnet/SCM)
1. Magnet tetap (Permanent
Magnet/PM)
2. Magnet resistif (Resistive
Magnet/RM)
3. Magnet superkonduktif
(Superconductive Magnet/SCM)
V. Artefak pada MRI danUpaya Mengatasinya
Artefak adalah kesalahan yang terjadi
pada gambar yang menurut jenisnya
terdiri dari :
Kesalahan geometric
Kesalahan algoritma
Kesalahan pengukuran attenuasi.
Sedangkan menurut penyebabnya
terdiri dari :
Artefak yang disebabkan oleh
pergerakan physiologi
Artefak yang terjadi karena
perubahan kimia dan pengaruh
magnet.
Artefak yang terjadi karena letak
gambaran tidak pada tempat yang
seharusnya.
Upaya untuk mengatasi artefak padagambaran MRI, antara lain dilakukan
dengan cara :
Waktu pemotretan dibuat secepat
mungkin
Menanggalkan benda-benda yang
bersifat ferromagnetic bila
memungkinkan
Perlu kerja sama yang baik
dengan pasien.
Pengambilan sample/gambar
sebaiknya lebih dari satu kali.
5/17/2018 Electromagnetics-MRI - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/electromagnetics-mri 8/8
Pengolahan citra yang dilakukan
pada komputer (image
processing) harus sebaik
mungkin.
VI. Kesimpulan
Pemanfatan MRI untuk
memeriksa bagian dalam tubuh
sangat efektif karena lebih detail
dan akurat.
Pesawat MRI menggunakan
efek medan magnet dalam
membuat citra potongan tubuh,
sehingga tidak menimbulkan efek radiasi peng-ion seperti
penggunaan pesawat sinar X.
Adapun kelebihan yang dimiliki
teknologi MRI adalah
kemampuannya membuat
potongan koronal, sagital, aksial
dan oblik tanpa banyak
memanipulasi posisi tubuh pasien
sehingga sangat sesuai untuk
diagnostik jaringan lunak.
VII. Referensi
http://www.babehedi.com/2012/03/norma
l-0-false-false-false_987.html
http://sriluph.blogspot.com/2011/11/tugas
-mri-untuk-teori-medan.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_re
sonance_imaging