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



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



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



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:



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



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.



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.



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

http://www.babehedi.com/2012/03/normal-0-false-false-false_987.html



http://sriluph.blogspot.com/2011/11/tugas-mri-untuk-teori-medan.html



http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging









electromagnetics-mri

Documents