mrt-grundlagen - Heidelberger Bildverarbeitungsforum
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MRT-GRUNDLAGEN Dr. Felix Breuer 64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum, Fürth, 07.03.2017 © Fraunhofer INHALT NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Grundlagen Signalentstehung/Detektion NMR Bildgebung Schichtselektion Räumliche Kodierung 2D/3D Sequenztypen Kontraste Relaxationszeiten Sequenzparameter Beispielanwendungen © Fraunhofer 2 WAS WIRD BENÖTIGT? Kernspins (Protonen, H) / Magnetisches Moment In alle Raumrichtungen Empfänger / Signaldetektion HF Spule / Senkrecht auf B0 Magnetfeldgradienten / Signalmodulation Klinisch: 1.5 – 7T Elektromagnetisches (HF) Wechselfeld (B1-Feld) / Signalanregung Mensch besteht zu ca 65% H20, Sehr starkes, statisches, möglichst homogenes Magnetfeld (B0-Feld) / Magnetisierung ~1024 HF Spule(n) Computer / Signalverabeitung © Fraunhofer 3 KERNSPINS IM MAGNETFELD Das magnetische Moment eines Spins präzediert um die Achse des angelegten statischen Magnetfeldes. Analog: Kreisel im Schwerefeld der Erde „Ein Spin“ B0 0 e 0 = g B0 g g Magnetisches Moment gyromagnetisches Verhältnis gH 58 MHz/Tesla 4 gyromagnetisches Verhältnis gH 58 MHz/Tesla © Fraunhofer KERNSPINS IM MAGNETFELD Makroskopische Magnetisierung entlang B0 (vereinfacht) „Ein (Kern-) Spin (Proton)“ „Viele Spins“ B0 B0 0 0 e 0 = g B0 g B M i M 0 0 T i gyromagnetisches Verhältnis gH 58 MHz/Tesla © Fraunhofer 5 NMR - ANREGUNG Resonanzprinzip & HF-Feld B0 Elektromagnetisches Wechselfeld für 0.5-2ms HF-Spule Transmitter B1 Drehimpulserhaltung: Magnetisierung wird in die transversalebene ausgelenkt © Fraunhofer 6 0 = g B0 SIGNAL DETEKTION Physikalisches Prinzip: Faraday’sches Induktionsgesetz Änderung des Magnetischen Flusses induziert Spannung in einer Spule (Messsignal) HF-Spule Empfänger HF-Welle mit Larmorfrequenz © Fraunhofer 7 EIN EXPERIMENT AUS DER SCHULE Faraday’sches Induktionsgesetz Spule Oszilloskop Magnet Induktionssignal: hier: Das Signal zerfällt mit der Zeit aufgrund von Reibung In der NMR: Aufgrund von Relaxationsprozessen © Fraunhofer 8 NACH ANREGUNG: SIGNALABFALL (T2* RELAXATION) T2 : Spindephasierung aufgrund von WW zwischen Spins Gewebespezifisch, irreversibel T2*: zusätzliche Dephasierung aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten reversibel mittels Spinecho M⊥ 𝑀⊥ (𝑡) = 𝑀0 ∙ T2* 𝑡 − ∗ 𝑒 𝑇2 T2 1 1 g B * T2 T2 © Fraunhofer B = Magnetfeldinhomogenitäten 9 T2* RELAXATION T2*: Magnetfeldinhomogenitäten verursachen Signalauslöschung. mit Metallclip © Fraunhofer 10 SPINECHO 90° 𝑇2 180° 𝑇2∗ Zeit t TE/2 TE/2 TE System rotiert mit ω0 g ( B0 B) 0 gB © Fraunhofer 11 T2* RELAXATION T2*: Magnetfeldinhomogenitäten verursachen Signalauslöschung. mit Metallclip Ohne Metallclip (mit SpinEcho) © Fraunhofer 12 ZUSÄTZLICH ZU T2: T1 - RELAXATION T1: Rückkehr der Magnetisierung ins Thermische Gleichgewicht (Spin Gitter WW) © Fraunhofer 13 ZWISCHENSTAND Kernspins im statischen Magnetfeld erzeugen Magnetisierung Auslenkung der Magnetisierung aus B-Feld Richtung mittels HFAnregung und Präzession/Rotation um Magnetfeldachse Signalempfang mittels eines HF-Empfängers über magnetische Induktion Signal relaxiert mit T1/T2(*) Aber: © Fraunhofer Gemessenes Zeit-Signal kommt von überall aus der Probe 14 ? ORTSKODIERUNG: ( z ) g B0 G z z Larm orfrequenz orts abhängig Machen: Magnetfeldgradienten !! Paul Lauterbur Nobelpreis für Medizin: 2003 http://nobelprize.org © Fraunhofer 15 1929 - 2007 SPINS IM HOMOGENEN MAGNETFELD Larmorfrequenz: 0 g B0 B B0 0 © Fraunhofer 16 Ort z SPINS & MAGNETFELDGRADIENTEN Larmorfrequenz: ( z) g B0 Gz z B B0 Ort z 0 © Fraunhofer 17 SCHICHTAUSWAHL Anregungspuls (B1-Feld) & Magnetfeldgradient HF 0 Zeit t off Frequenz B Gz B0 z Zeit t 0 © Fraunhofer 20 Ort z ( z) g B0 Gz z SCHICHTAUSWAHL Anregungspuls (B1-Feld) & Magnetfeldgradient HF 0 Zeit t Gz off Frequenz z0 Ort z z Zeit t 0 Ort t © Fraunhofer 21 SCHICHTFÜHRUNG Axial © Fraunhofer Coronal 22 Sagittal ORTSKODIERUNG Von der Schichtauswahl zum Schnittbild … ? http://lernundenter.com © Fraunhofer 23 ORTSKODIERUNG Keine „direkte“ Messung möglich Umweg über k-Raum k-Raum Objekt BILD Messdaten MRT 2D IFT http://www.magnussa.com HF-Pulse & Gradientenschaltungen Frequenzanalyse am Computer K-Raum: NMR-Signal moduliert mit Gradientenschaltungen in alle (hier 2D) Raumrichtungen © Fraunhofer 24 K-RAUM – DAS PRINZIP – 2D „Ablaufen“ des k-Raums mit Magnetfeldgradienten k-Raum MRT S equenz Schichtauswahl Signalakquisition ky Phasenkodierung HF Gz Gy Gx Phasenkodierung © Fraunhofer Frequenzkodierung 25 Frequenzkodierung kx K-RAUM – DAS PRINZIP – 3D „Ablaufen“ des k-Raums mit Magnetfeldgradienten MRT S equenz Volumenauswahl Signalakquisition HF Gz Gy Gx Phasenkodierung © Fraunhofer Frequenzkodierung 26 K-RAUM – DAS PRINZIP – 3D „Ablaufen“ des k-Raums mit Magnetfeldgradienten MRT S equenz Volumenauswahl Signalakquisition HF Gz Gy Gx Phasenkodierung © Fraunhofer Frequenzkodierung 27 SEQUENZPARAMETER Meßzeit - Relaxation – Kontrast 𝑇 = 𝑁 ∙ 𝑇𝑅 TR 90° TE HF Gz Gy Gx © Fraunhofer 29 SEQUENZPARAMETER Meßzeit - Relaxation – Kontrast 𝑇 = 𝑁 ∙ 𝑇𝑅 TR 90° TE HF Gz Gy Gx © Fraunhofer 30 SEQUENZPARAMETER Messzeit - Relaxation – Kontrast Während TR: Magnetiserung relaxiert mit T1 Nach Anregung, Rückkehr in den Ursprungszustand 90° 𝑆(𝑇𝑅) = 𝑀0 ∙ 1 − 𝑒 −𝑇𝑅 𝑇1 Während TE: Magnetisierung relaxiert mit T2(*) Nach Anregung: Meßsignal geht verloren (Signal dephasiert) 90° 𝑆(𝑇𝐸) = 𝑆0 ∙ 𝑒 −𝑇𝐸 © Fraunhofer 31 𝑇2(∗) KONSEQUENZ VON RELAXATION Kontrast Generierung (nativ) SD-Kontrast T1-Kontrast Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert T2-Kontrast Quelle: MR Image Expert Limitationen (Ultra-) kurze T2 -Relaxation: sehr schneller Signalabfall Festkörper, Zähne, Knochen, Bänder, Knorpel, Lunge, T2(*)<1-2ms Lange T1-Relaxation: (0.5-5s) Signalsättigung, lange Messzeiten © Fraunhofer 36 KONSEQUENZ VON RELAXATION Kontrast Generierung (nach Kontrastmittel) SD-Kontrast T1-Kontrast Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert T2-Kontrast Quelle: MR Image Expert Limitationen (Ultra-) Kurze T2 -Relaxation: sehr schneller Signalabfall Festkörper (Zähne, Knochen, Bänder, Knorpel, T2<<1-2ms) Lange T1-Relaxation: Signalsättigung, lange Messzeiten © Fraunhofer 37 MRT AN LEBENSMITTELN © Fraunhofer Pfirsich Lagerschaden Salami Wasser 38 Fett ZEITAUFGELÖSTE MR-BILDGEBUNG Reifeprüfung (Beispiel: Ananas) Reif Unreif Quelle: Heshal Smith Laboratory, England © Fraunhofer 39 DIFFUSIONSPROZESSE Beispiel: Eindringen von Wasser in Haut Auftragen von Gel Ohne Gel Mit Gel © Fraunhofer 40 GESCHWINDIGKEITSMESSUNG Fließendes Wasser Statisches Wasser Quantitative Geschwindigkeitsmessung Geschwindigkeitsverteilung Messaufbau © Fraunhofer 41 GESCHWINDIGKEITSMESSUNG Quantitative Geschwindigkeitsmessung Cartridge-Filter Quantitatives Flussbild Quelle: Heshal Smith Laboratory, England © Fraunhofer 42 GESCHWINDIGKEITSMESSUNG Darstellung von Transportphänomenen Konvektionszellen bei Erwärmung © Fraunhofer 43 MRT AN KUNSTSTOFFEN Konventionell unsichtbar Aber: Sichtbar mit speziellen Messmethoden (UTE/zTE) © Fraunhofer 44 ZUSAMMENFASSUNG NMR – Signal Homogenes statisches starkes Magnetfeld (B0-Feld 1,5T – 7T ) HF – Anregung (B1-Wechselfeld Larmorfrequenz) Empfang über magnetische Induktion (Larmorfrequenz) Ortskodierung & Schichtselektion Magnetfeldgradienten (Kodierung mittels Frequenz/Phase) Bildkontrast Spindichte & Relaxationszeiten (SD,T1,T2,T2*) Sequenz / Sequenzparameter (SE/GE – TE/TR) Darstellung von Morphologie und Funktion Medizinische Anwendungen Industrielle Anwendungen © Fraunhofer 48 DANKE Literatur: Wie funktioniert MRI? Eine Einführung in Phy s ik und Funktions w eis e der Magnetres onanzbildgebung, Borut Marincek, Victor D. Köchli, Dominik Weishaupt Magnetic Res onance Im aging: Phy s ical Principles and S equence Des ign, 2nd Edition: Robert W. Brown, Y.-C. Norman Cheng, E. Mark Haacke, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan The Bas ics of MRI, Joseph P. Hornak, Ph.D. https://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/ ….. © Fraunhofer 49