Zusammanfassung

MRI- Eine Einführung
Die Kernspintomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches auf dem Prinzip der
Kernspinresonanz beruht. Dabei wird die Kernspindichte in Abhängigkeit des Ortes dargestellt. Es ist
nicht invasiv, benötigt keine ionisierende Strahlung und es sind keine anhaltenden Nebenwirkungen
bekannt. Dieses Verfahren ermöglicht eine gute Gewebedarstellung, aber eine schlechte
Knochendarstellung. Es sind verschiede Gewichtung der Bildparameter möglich.
Die MRI wurde in den 1970er Jahren entwickelt, insbesondere von Paul Lauterbur und Peter
Mansfield, welche dafür im Jahre 2003 mit einem Nobelpreis geehrt wurden.
Kernstück eines MR-Tomographen ist eine supraleitende Feldspule, die ein möglichst homogenes
statisches Feld
in z-Richtung erzeugt. Je nach Modell erzeugt es ein Magnetfeld der Stärke 1,5 T
bis zu über 10 T in Forschungsgeräten. Zur Aufrechterhaltung dieses Feldes werden eine Kühlung und
verschiedene Abschirmungen benötigt. Der Tomograph beinhaltet weitere Spulen, z.B. mehrere
Gradientenspulen zur Ortsauflösung und Sender und Empfängerspulen, die dem zu untersuchenden
Körperteil angepasst sind.
In dem
-Feld werden alle Spins parallel oder antiparallel zum Feld
ausgerichtet. Jedoch sind
6 ppm mehr Spins parallel als antiparallel ausgerichtet, was sich als effektive Magnetisierung messen
lässt. Die Ausrichtung bewirkt nach dem Zeeman-Effekt eine Aufspaltung des Energieniveaus
. Dabei ist
die Larmorfrequenz, welche auch die Resonanzbedingung
, bei
welcher die Spins ausgelenkt werden können, festlegt.
Die chemische Umgebung der Kernspins erzeugt eine magnetische Umgebung, welche die
Resonanzfrequenz der Spins verschieben und aufspalten kann. Anhand dieser Resonanzfrequenzen
werden Substanzen unterscheidbar.
Die Sendespule kann nun ein magnetisches Wechselfeld mit der Resonanzfrequenz senkrecht zum
Feld, welches die Spins auslenkt, einstrahlen. Nach Abschalten des Resonanzfeldes relaxieren sie
in einer Präzessionsbewegung zurück in die zum
-Feld parallele Position, die
Gleichgewichtsposition.
Diese Auslenkung wird mit Hilfe des Faraday’schen Induktionsgesetz detektiert, wonach die
veränderliche Magnetisierung der Spins eine zeitabhängige Spannung in der umgebenen Spule
erzeugt. Diese ist von der Anregungseffizienz und der Spindichte abhängig.
Zur Beschreibung der Rückkehr in die
parallele Position der Spins gibt es zwei wichtige
Relaxationszeiten.
beschreibt den Aufbau der Längsmagnetisierung
und
den Abbau der
Quermagnetisierung
. Beide Vorgänge sind exponentiell wobei jedoch etwa fünfmal kürzer ist
als . Aufgrund der chemischen Verschiebung sind beide Zeiten gewebeabhängig. Das umliegende
Gewebe erzeugt, durch Molekularbewegungen und magnetische Dipolfelder von ungepaarten
Elektronen und weiteren Kernen, Feldschwankung. In Flüssigkeiten ist dieser Effekt stärker als z.B. in
Fett, da es hier schnellere Molekularbewegungen gibt, also mehr Feldschwankungen. So erreicht das
effektive Feld seltener die Resonanzfrequenz der Spins und der Zustandswechsel verläuft langsamer.
So ist in Flüssigkeiten teilweise 10mal länger als in Fetten. Bei ist es sogar ein Faktor 15.
Der große Unterschied zwischen
und
entsteht, da bei der
die Spin-Spin-Relaxation eine
wichtige Rolle spielt. Die effektive Quermagnetisierung setzt sich aus den Magnetisierungen der
einzelnen Spins zusammen. Anfangs sind diese alle parallel ausgerichtet, aber mit der Zeit
dephasieren sie in ihrer Präzessionsbewegung. So nimmt , welche durch die effektive
Quermagnetisierung definiert ist, sehr schnell ab.
Das Grundelement von Pulsexperimenten sind Einzelpulse. Dazu wird kurzzeitig ein
Radiofrequenzfeld mit der Resonanzfrequenz, wie oben erläutert, eingestrahlt. Es lenkt die Spins um
90° aus und wird daher auch 90° oder Puls genannt. Aus dem oszillierendem Signal wird mit einer
Fouriertransformation das Frequenzspektrum ermittelt. Jedoch fällt das
-Signal noch schneller ab
als , da das statisches Magnetfeld Inhomogenitäten besitzt. Hier kommt die Spin-Echo-Sequenz
zum Einsatz. Dabei wird nach der Zeit ein 180°-Puls eingestrahlt, sodass die Dephasierung der Spins
umgekehrt wird und die Spins wieder rephasieren. Nach der Zeit
ist ein Echo des
ursprünglichen Signals zu detektieren. Es ist jedoch weniger stark als das ursprüngliche Signal. Bei der
Multi-Echosequenz wird diese Echoerzeugung mehrmals wiederholt. Mit der Abnahme der
Signalamplituden lässt sich bestimmen.
Die bisher diskutierten Signale sind noch nicht räumlich aufgelöst. Dazu werden verschiedene
Gradientenfelder benötigt. Ein Gradientenfeld ist ein Magnetfeld, dessen Stärke entlang einer
Raumkoordinate linear zunimmt. Es wird durch Spulenpaare gleicher Stromstärke aber
gegensätzlicher Polung erzeugt. Diese Konfiguration wird Maxwell-Paar oder Anti-HelmholtzKonfiguration genannt. Für jede Raumrichtung gibt es ein solches Paar. Durch das nun veränderte
effektive Feld wird die Resonanzfrequenz der jeweiligen Spins größer bzw. kleiner, je nachdem ob
sich das Gradientenfeld und das stationäre Feld addieren oder subtrahieren. Nur am Nulldurchgang
der Gradientenfunktion bleibt das ursprüngliche Feld erhalten. Dieses Phänomen macht man sich bei
der Schichtselektion zu Nutze. Nur in der Schicht mit verschwindendem Gradient ist die
Resonanzfrequenz erhalten und so wird nur diese Schicht angeregt, wenn ein RF-Puls eingebracht
wird. Um eine ausreichende Signalstärke zu ermöglichen beinhaltet der RF-Puls ein kleines
Frequenzintervall
, sodass die Schicht eine Schichtdicke
erhält. Die zu untersuchende Schicht
ist frei wählbar, da der Gradient durch die 3 Gradientspulenpaare zusammengesetzt werden kann.
Um nun diese angeregte Schicht räumlich aufzulösen werden zwei weitere Gradienten benötigt.
Eine Dimension wird mit Hilfe der Frequenzkodierung unterschieden. Durch einen Gradient, der beim
Auslesen geschaltet wird, werden die Frequenzen der einzelnen Signale, welche einer Position im
Bild entsprechen, ein wenig verschoben. Mit der Fouriertransformation kann dann hinterher ein
Frequenzspektrum ermittelt werden, wobei die Signalstärke der Frequenz durch ein Grauwert im Bild
dargestellt wird. Die zweite Dimension wird mit der Phasenkodierung kodiert. Dazu wird zwischen
dem RF-Puls und dem Echo kurzzeitig ein Gradient geschaltet. So präzidieren die Spins kurzzeitig mit
einer unterschiedlichen Geschwindigkeit und eine Phasenverschiebung entsteht. Mit einer weiteren
Fouriertransformation kann auch hier die Phasenlage ermittelt werden. Jedoch muss die
Phasenkodierung für jede Pixelreihe bzw. Voxelreihe im Bild wiederholt werden. So ergeben sich für
ein Bild mit der Auflösung 256x256 256 Phasenkodierung, die jeweils 0,5-3 s dauern, da zwischen
jedem Schritt eine Ruhezeit liegen muss, in der sich die Spins wieder ausrichten. Eine Schicht dauert
demnach 2-12 Minuten.
Nun ist eine Schicht in zwei Dimensionen im k-Raum als Rohdatenmatrix kodiert. Der k-Raum ist
quasi der Rohdatenraum und kann auch als Speicher im Computer verstanden werden. Die Daten
sind hier als Streifenmuster verschlüsselt und können erst durch die 2-dim-Fouriertransformation in
ein reales Bild übersetzt werden. Die verschiedenen Streifenmuster bilden zusammen ein Punktebild.
Dabei beschreiben die inneren Anteile die grobe Struktur und außen wird die Feinstruktur definiert.
Jedoch kann nur ein begrenzter Teil der äußeren Fläche mit in die Bildrekonstruktion eingerechnet
werden, da bei größerer k-Raum-Auflösung der SNR-Wert immer kleiner wird.
Die Qualität des Bildes wird insbesondere durch das Signal-Rausch-Verhältnis SNR, den Kontrast, das
Kontrast-Rausch-Verhältnis und die Auslösung bestimmt.
Bei diesem Verfahren können auf vielerlei Weisen Fehler im Bild auftreten. Diese werden Artefakte
genannt und beschreiben Fehler im Bild, welche in der Realität keine Entsprechung finden.
Prominente Artefakte sind z.B. Bewegungsartefakte, welche durch Bewegungen des Probekörpers
entstehen. Dabei können Geistersignale entstehen. Weitere Artefakte treten durch
Inhomogenitäten, Chemische Verschiebung, digitale Bildartefakte und aufgrund vieler weiterer
Effekte auf.
In der MRI-Technik gibt es noch viele Bereiche in denen Forschungsbedarf besteht. So gibt es auch
schon jetzt viele weitere Methoden Sequenzen zur allgemeinen Bildverbesserung, oder auch
bestimmten Problemstellungen. Forschungsziele sind zum Beispiel schnellere Sequenzen, höhere
Feldstärken, bessere Bildqualität und Kombination mit anderen diagnostischen Verfahren.