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Seminar
Magnetresonanztomographie (MRT):
Seminar Physikalische Modelle in der Medizinischen Bildverarbeitung
20.11.2008
Verfahrensschritte im Äberblick:
€
•Ausrichtung der Wasserstoffkerne im menschlichen K€rper durch ein starkes externes Magnetfeld
•gezielte Anregung der Kerne durch Radiowellen
•Messung der zur•ckgesendeten Signale
•dreidimensionale Darstellung der Messsignale
Physikalische Grundlagen der MRT
1.Magnetisches Moment:
Enth‚lt ein Atomkern eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen und Protonen, so tritt nach auƒen ein
messbares magnetisches Moment auf.
Aufgrund des sehr h‚ufigen Vorkommens von Wasserstoffkernen im menschlichen K€rper wird bis auf wenige
spezielle Anwendungen in der MRT haupts‚chlich das Verhalten von Wasserstoffkernen im Magnetfeld
gemessen.
Das magnetische Moment des H-Atoms kann als Vektor dargestellt werden, der um sich selbst rotiert (Spin
des Protons)
Wegen der Eigendrehimpulse der Spins pr‚zedieren die Kerne wie Kreisel
In der Ruhelage haben die Spins irgendeine Richtung.
Der resultierende Vektor ergibt den Null-Vektor.
2.PrÅzessionsbewegung:
In einem intensiven Magnetfeld (genannt B0), richten sich einige Kerne parallel und einige antiparallel nach
B0 aus.
Boltzmann-Statistik: Innerhalb des B0 Magnetfelds, gibt es mehr parallelle Spins zu B0 als anti-parallelle.
N+ = Anzahl der nach oben zeigenden Spins (oberes E-Niveau)
N- = Anzahl der nach unten zeigenden Spins (unteres E-Niveau)
Boltzmann-Statistic:
und f•r kleine Argumente der exp-Fkt. Folgt:
Beispiel:
Protonen-Messung mit 1T B0-Feld bei 37„C (310K)
=>Der resultierende Vektor parallel zu B0
3.Resonanzfrequenz:
Die Resonanzfrequenz …0, genannt Larmor Frequenz oder Prozession-Frequenz, ist proportional zu der
Intensit‚t des magnetischen Feld: …0 = †*B0.
4.Der magnetische Vektor:
Der magnetische Vektor des Spins der Protonen l‚sst sich in zwei orthogonalen Komponenten einteilen: eine
L‚ngs- und eine Quer-Komponente.
5.Kernspinresonanz:
‡Resonanz: Austausch von Energien zwischen zwei Systemen zu einer bestimmten Frequenz .
‡Magnetresonanz entspricht den energetischen Wechselwirkungen zwischen Spins und elektromagnetischer
Radiofrequenz (RF).
‡Dieses Ph‚nomen (Kernspinresonanz ) tritt nur auf
gdw RF = Frequenz der Pr‚zession der Spins
Die Radiofrequez wird unserem Spin-System Energie zuf•hren (Excitation /Aufregung)
RF =0
R•ckkehr des Systems zum Gleichgewicht f•hrt zu einer Emission von Energie (Relaxation)
6.Excitation:
Unser Vektor (eine L‚ngs- und eine Quer-Komponente)
L‚ngs-Komponente : Unterschied zwischen parallelen und antiparallelen Spins
Quer-Komponente : Koh‚renz der Phasen der Spins
Bei einer Excitation wird die L‚ngs-Komponente abnehmen
Erscheinung der Quer-Komponente
(dies tritt allerdings nicht bei einer Magnetisierung bei 180„ Auslenkung auf)
7.Relaxation:
R•ckkehr des Systems zum Gleichgewicht
Emission von Energie in Form RF
Diese RF-Emission wird NMR-Signal genannt
Die Relaxation gliedert sich in 2 Ph‚nomene:
- Longitudinale Relaxation (Wiederaufbau der L‚ngsmagnetisierung) T1
€ Transversale Relaxation (Abnahme der Quermagnetisierung) T2
€ T1>T2
Longitudinale Relaxation
Transversale Relaxation
Bildgebung
Wie kommen wir vom Signal zum eigentlichen Abbild ?
•Atomkerne werden durch 90„-180„-Pulsfolge angeregt
•Eine ˆnderung im magnetischen Feld kann durch elektronischen Empf‚nger aufgezeichnet und im Computer
weiter bearbeitet werden.
Schichtwahl:
•Das Magnetfeld wird entlang der Z-Richtung inhomogen (ungleich verteilt) gemacht um selektiv
eine Schicht anzuregen
.Mit einer bestimmten Frequenz wird genau eine bestimmte Schicht (schraffiert) angeregt
•Angrenzende Schichten besitzen andere Resonanzfrequenzen und werden nicht beeinflusst
•Durch eine gleichm‚ƒig lineare ˆnderung der Feldst‚rke in L‚ngsrichtung (Gradient) wird ein monotoner
Anstieg der Lamorfrequenz in L‚ngsrichtung erreicht
•Folge:
durch Frequenzselektion eine Schicht (einen ‰QuerschnittŠ) auszuw‚hlen
Ortscodierung:
Die Ortskodierung besteht aus zwei Schritten:
1.Phasenkodierung (oft mit Gy-Gradientenfeld)
2.Frequenzkodierung (oft mit Gx-Gradientenfeld)
Gemessenes Signal enthÅlt 2 Informationen:
1.Frequenz (Angabe •ber Herkunft des Signals in X-Richtung)
Dekodierung mittels inverser Fouriertransformation
2.Phasenaufteilung innerhalb jeder einzelnen Frequenz (Angabe •ber Herkunft des Signals in Y-Richtung)
F•r Unterscheidbarkeit von n Orten sind n Messungen mit unterschiedlicher Gradientenst‚rke
erforderlich
•Um auch in Querrichtung (X-Richtung) selektieren zu k€nnen wird in diese Richtung ein Feldgradient
geschaltet, der die Signale der €rtlichen Voxel frequenzkodiert.
•F•r die andere Querrichtung (Y-Richtung) benutzt man einen Phasengradienten zur Phasenkodierung.
•Durch die zweidimensionale Fourier-Transformation lassen sich jetzt f•r die einzelnen Voxel die Signale aus
der Frequenz- und der Phasenkodierung zur•ckgewinnen.
•aus diesen Daten kann ein Bild erzeugt werden
Bildkontraste:
•Die Helligkeit eines Gewebes wird von 3 Parametern bestimmt:
- Protonendichte,
- Relaxationszeiten T1 und T2
Protonendichte:
•Gewebe mit groƒer Protonendichte erscheinen im PD-Bild hell,
•w‚hrend Gewebe mit niedriger Protonendichte dunkel erscheinen.
T1-Kontraste:
•Bei den Geweben mit schneller T1, wird nach erneuter Anregung viel Signal entstehen
=> (Gewebe erscheint hell)
• W‚hrend bei den Geweben mit langem T1 nur wenig Signal entsteht
(Gewebe erscheint dunkel)<
T2-Kontraste:
•Wird durch ein langes TE stark gewichtet
•TR lang w‚hlen
•Gewebe mit kurzem T2 geben wenig Signal (erscheinen auf Bild dunkel)
•Gewebe mit langem T2 viel Signal (erscheinen im Bild hell
MRT-Vorteile:
•Bessere Darstellbarkeit von Organen.
•Das Verfahren erfolgt, ohne m€gliche sch‚dliche ionisierende Strahlung.
•Verbesserung durch Kontrastmitteln.
•Manche Organe werden erst durch die MRT-Untersuchung darstellbar (z.B. Nervengewebe).
MRT-Nachteile:
•Hohe Kosten.
•Metall am oder im K€rper kann Nebenwirkungen sowie Bildst€rungen verursachen und kann gef‚hrlich sein.
•Der kalkhaltige Knochen im K€rper kann wegen verwendeten Felddichten nur schlicht dargestellt werden.
•Laute Klopfger‚usche wegen magnetischer Kr‚fte.
•Durch den geringen Durchmesser der R€hre, in die der Patient gefahren wird, kann es zu Beklemmungs- und
Angstgef•hlen kommen.
•Schnell bewegliche Organe wie das Herz lassen sich nur mit eingeschr‚nkter Qualit‚t darstellen.