Folien

Magnetresonanztomographie
1
Inhalt
Geschichtlicher Überblick

MRT in Kürze

Verfahrensschritte

Physikalische Grundlagen der MRT

Signal/Messung

Bildgebung

Vor- und Nachteile der MRT

2
Geschichtlicher Überblick :
1924 Entdeckung der Hyperfeinaufspaltung in
Atomspektren,„Kernspin“ von W. Pauli postuliert

1946 Beschreibung der magnet.
Magnetresonanz in Flüssigkeiten und
Festkörperndurch F. Bloch und E. Purcell,
Anwendung in der Spektroskopie


3
1950 Kernspinechos durch Hahn
3
1967 Erste Magnetresonanzexperimente an lebenden
Tieren durch J. Johns

1973 Erste Magnetresonanz-Schnittbildaufnahme durch
P. Lauterbur mittels

4
1975 „Moderne“ Bildgebung mittels FourierTransformation durch R. Ernst

1976 Erste MR-Bilder am lebenden Menschen von P.
Mansfield

Ab ca. 1983 klinische Anwendung der MR und rasante
Weiterentwicklung

5
Magnetresonanztomographie
(MRT)

MRT ist ein
Verfahren, das vor
allem in der Medizin
zur Darstellung von
Struktur und
Funktionen der
Gewebe und Organe
im Körper eingesetzt
wird.
6
Verfahrensschritte 1


Ausrichtung der Wasserstoffkerne im
menschlichen Körper durch ein starkes
externes Magnetfeld
gezielte Anregung der Kerne durch
Radiowellen
7
Verfahrensschritte 2


Messung der zurückgesendeten Signale
3-dimensionale Darstellung der Messsignale
8
Physikalische Grundlagen der
MRT
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Bausteine der Atomkerne
• Neutronen und Protonen
.
10
Magnetisches Moment
• Enthält ein Atomkern eine unterschiedliche
Anzahl an Neutronen und Protonen, so tritt
nach außen ein messbares magnetisches
Moment auf.
11
•
Aufgrund des sehr häufigen Vorkommens von
Wasserstoffkernen im menschlichen Körper
wird bis auf wenige spezielle Anwendungen in
der MRT hauptsächlich das Verhalten von
Wasserstoffkernen im Magnetfeld gemessen.
12
• Das magnetische Moment des H-Atoms kann als
Vektor dargestellt werden, der um sich selbst rotiert
(Spin des Protons)
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Spin



Verhält sich physikalisch wie der Drehimpuls
Die Achse, um die sie präzessieren, ist bekannt als
longitudinale Richtung
die Ebene, in der sie präzessieren als transversale
Richtung
14


Protonen sind eine rotierende Masse, die einen Drehmoment
besitzen
Wegen ihrer Eigendrehimpulse präzedieren die Kerne
wie Kreisel
15
•

•
In der Ruhelage haben die Spins irgendeine
Richtung
Sie kompensieren sich vollständig
Der resultierende Vektor ergibt den NullVektor =>Unmagnetisch
16
Präzessionsbewegung


In einem intensiven Magnetfeld (genannt B0) ,
richten sich die Rotationsachse der Kernspins
einige parallel,und einige antiparallel nach B0
aus
während die Spins im Magnetfeld präzessieren
und es zu einem stabilenn Zustand kommt;
baut sich eine Längsmagnetisierung in ZRichtung auf
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Präzessionsbewegung
18
Blotzmann-Statistik
• Der Unterschied zwischen der parallelen und
anti parallelen ist proportional zur Amplitude
des magnetischen Feldes
• => Der resultierende Vektor parallel zu B0
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Blotzmann-Statistik

N- = Anzahl der parallelen

N+ = Anzahl der anti paralleleln

mit Boltzmann-Statistik:

und für kleine Argumente der exp-Fkt. folgt:

Beispiel:
Protonen-Messung mit 1T B0-Feld bei 37°C (310K)
20
Resonanzfrequenz

Die Resonanzfrequenz ω0, genannt Larmor
Frequenz oder Prozession-Frequenz , ist
proportional zu der Intensität des
magnetischen Feld: ω0 = γ*B0.
21
Der magnetische Vektor
Der magnetische Vektor des Spinns der
Protonen lassen sich in zwei orthogonalen
Komponenten: eine Längs und eine QuerKomponente

22
Quervektor
• Da die Bewegungen der Präzession der Spins
nicht phasengleich ist, heben sich die Querkomponenten gegenseitig auf
• => Der resultierender Quervektor = 0
23
Quervektor
24
Kernspinresonanz
• durch eine RF-Spule werden die Spins aus dem
Gleichgewicht gebracht
• Resonanz: Austausch von Energien zwischen zwei
Systemen zu einer bestimmten Frequenz .
• Magnetresonanz entspricht den energetischen
Wechselwirkungen zwischen Spins und
elektromagnetischer Radiofrequenz (RF).
• Dieses Phänomen (Kernspinresonanz ) tritt nur auf
gdw
RF = Frequenz der Präzession der Spins
25
Kernspinresonanz

Die Radiofrequez wird unser Spin-System
Energie zuführen (Excitation /Aufregung)

RF =0

Rückkehr des Systems zum Gleichgewicht
=> eine Emission von Energie (Relaxation)
26
Excitation



unser vektor (eine Längs und eine QuerKomponente)
Längs-Komponente : Unterschied
zwischen parallelen und antiparallelen
Spins
Quer-Komponente : Kohärenz der phasen
der Spins
27
Excitation



Bei einer Excitation wird die LangsKomponente abnehmen
Dh die Spins kippen und mit ihnen die
Längsmagnetisierung immer mehr aus ihrer ZRichtung heraus
Erscheinung der Quer-Komponente
(es sei denn eine magnetisierung bei 180°
Auslenkung)
28
magnetisierung bei 180° Auslenkung

bei eine, 180º-Impuls kippt die Magnetisierung in
die entgegengesetzte Richtung der Z-Achse
29
Quermagnetisierung bei 90° Auslenkung
bei einem 90º- Impuls kippt die Magnetisierung
in die XY-Ebene;

Spins drehen sich in XYEbene
=> Quermagnetisierung

Längsmagnetisierung nimmt den Z-Wert null an

30
Quermagnetisierung bei 90° Auslenkung

Bild
31
Relaxation

Rückkehr des Systems zum Gleichgewicht

einer Emission von Energie in Form RF
( NMR-Signal )

Die Relaxation gliedert sich in 2 Phänomene:
Longitudinale Relaxation (wiederaufbau der
Längsmagnetisierung )
Transversale Relaxation (Abnahme der
Quermagnetisierung)
32
Longitudinale Relaxation



Energieabgabe an die Umwelt
T1:Dauer der Längsrelaxation ist abhängig von der
Feldstärke und gewebespezifisch
der wiederaufbau des Längs-Magnetisierung
folgt einer exponentiellen Kurve.
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Longitudinale Relaxation

bilder
34
Transversale Relaxation



wegen Interaktionen von Spin-Spin
Diese Interaktionen sind temporär und zufällig
verursachen Heterogenität im Feld
Da die Spins nicht die selbe Frequenz
besitzen => schnelle Dephasierung
35
Transversale Relaxation



Das Abnahme der Quer-Magnetisierung folgt
einer fallenden exponentiellen Kurve
T2 :Dauer der Transversale Relaxation viel kürze
als T1
Die Dauer der Quer-Relaxation ist
gewebespezifisch
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Transversale Relaxation

bilder
relaxation4.swf
37
Transversale Relaxation
38
39
Messen des RF-Signals
40
Längs und Quermagnetisierung
• Längsmagnetisierung
Mz in Z-Richtung
• Quermagnetisierung in
xy-Ebene Richtung
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T1 und T2
• Beim Wiederherstellung des Ausgangssignals
unterscheidet man 2 Zeiten.
• T1:Der Aufbau für Längsmagnetisierung
• T2:Der Zerfall der Quärmagnetisierung
42
T1
• T1 ist Gewebeabhängig: Bedeutet, dass der Aufbau
Zeit der Längsmagnetisierung für unterschiedliche
Geweben braucht unterschiedliche Zeiten
43
T2
• Ist auch Gewebe abhängig: d.H. bei unterschiedliche
Geweben zerfällt die Quermagnetisierung in
unterschiedlichen Zeiten
44
Spinecho
• 90° Impuls gefolgt von 180° Impuls
• Die Zeit dazwischen heißt Echozeit(ET)
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Hier lässt sich die Höhe eines Echos gut
messen, weil man einen hinreichenden Abstand
zu den starken Sendeimpulsen hat.

46
Repetitionszeit (TR)
• Zeit zwischen zwei 90° Impulsen
47


Atomkerne werden durch 90°-180°-Pulsfolge
angeregt
Änderung in magnetischen Feld kann durch
elektronischen Empfänger aufgezeichnet
werden und im Rechner weiterberabeitet.
48
wie kommen wir vom Signal zum
eigentlichen Abbild ?
49
Schichtwahl 1

das Magnetfeld wird entlang der Z-Richtung
inhomogen (ungleich verteilt) gemacht um
selektiv eine Schicht anzuregen
50
Schichtwahl 2
Mit einer bestimmten Frequenz wird genau eine
bestimmt Schicht (schraffiert) angeregt

Angrenzenden Schichten besitzen andere
Resonanzfrequenzen und werden nicht
beeinflusst
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

Durch gleichmäßig linearen Änderung der
Feldstärke in Längsrichtung (Gradient) wird
ein gleichmäßiger Anstieg der Lamorfrequenz
in Längsrichtung erreicht
Folge:
durch Frequenzselektion eine Schicht (einen
„Querschnitt“) auszuwählen
52
Ortskodierung
Die Ortskodierung besteht aus zwei Schritten:

Phasenkodierung (oft mit Gy-Gradientenfeld)

Frequenzkodierung (oft mit Gx-Gradientenfeld)
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Gemessenes Signal enthält 2 Informationen:

Frequenz (Angabe über Herkunft des Signals in XRichtung)
Dekodierung mittels inverser Fouriertransformation

Phasenaufteilung innerhalb jeder einzelnen
Frequenz (Angabe über Herkunft des Signals in YRichtung)
Für Unterscheidbarkeit von
n Orten sind n Messungen
mit unterschiedlicher
Gradien-tenstärke
erforderlich
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

Um auch in Querrichtung (X-Richtung)
selektieren zu können wird in diese Richtung
ein Feldgradient geschaltet, der die Signale der
örtlichen Voxel frequenzkodiert.
Für die andere Querrichtung (Y-Richtung)
benutztman einen Phasengradienten zur
Phasenkodierung.
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• Durch zweidimensionale
Fourier-Transformation
lassen sich jetzt für die
einzelnen Voxel die Signals
aus der Frequenz- und der
Phasenkodierung
zurückgewinnen.
• im Rechner ist fertig und
kann auf dem Bildschirm
oder auf Folie ausgegeben
werden.
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Bild-Kontrast
57
Bildkontraste 1

Die Helligkeit eines Gewebes wird von 3
Parameter bestimmt :
Protonendichte,
Relaxationszeiten T1,T2
58
Protonendichte


Gewebe mit großer Protonendichte erscheinen
im PD-Bild hell,
während Gewebe mit niedriger Protonendichte
dunkel erscheinen
59


TR lang wählen => fast vollständige
Längsrelaxation (T1-Einfluss gering)
TE relativ kurz nach dem 90°-Impuls =>
erzeugen noch kaum Querrelaxation (T2Einfluss gering)
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T1-Kontraste


Bei den Geweben mit schneller T1, wird nach
erneuter Anregung viel Signal entstehen
=> (Gewebe erscheint hell)
Während bei den Geweben mit langem T1
nur wenig Signal entsteht
=>(Gewebe erscheint dunkel)
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T2-Kontraste

Wird durch ein Langes TE Stark gewichtet

TR lang wählen


Gewebe mit kurzem T2 geben wenig Signal
(erscheinen auf Bild dunkel);
Gewebe mit langem T2 viel Signal (erscheinen
im Bild hell)
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64
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MRT-Vorteile


Bessere Darstellbarkeit von den Organe.
Das Bild ist resultiert aus verschiedenen
Signalenintensiten, die charakterestik sind
für ihre verschiedenen Geweben.
Das Verfahren passiert, ohne mögliche
schädliche ionisierende Strahlung.
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MRT-Vorteile


Verbesserung durch Kontrastmitteln
Manche Organe werden erst durch die
MRT-Untersuchung darstellbar (z. B.
Nervengewebe).
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MRT-Nachteile



Hohe Kosten.
Metall am oder im Körper kann
Nebenwirkungen und Bildstörungen
verursachen und kann gefährlich sein.
Der Kalkgehaltige Knochen im Körper
kann wegen verwendeten Felddichten
schlicht dargestellt werden.
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MRT-Nachteile



Schnell bewegliche Organe wie das Herz
lassen sich mit eingeschränkter Qualität
darstellen
Klopfgeräuschen wegen magnetische
Kräfte.
Durch den geringen Durchmesser der
Röhre, in die der Patient gefahren wird,
kann es zu Beklemmungs- und
Angstgefühlen kommen.
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