Skript Physikalisches Prinzip der CT und der MRT
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Institut für Neuroradiologie Prof. Dr. med. P. Schramm Röntgen- Computer-Tomografie Magnet-Resonanz-Tomografie Physikalisches Prinzip Dr. rer. nat. Uwe H. Melchert Universität zu Lübeck Institut für Neuroradiologie Röntgen - Computer-Tomografie Bildbeispiele Physikalisches Prinzip Hounsfield-Einheiten Universität zu Lübeck Bilderzeugung Strahlenbelastung Bildbeispiele Hirn - Weichteilfenster Universität zu Lübeck Institut für Neuroradiologie 1 Hirn - Knochenfenster Universität zu Lübeck Institut für Neuroradiologie Institut für Neuroradiologie Schwächungswerte HU 3000 Schwächungswerte von Geweben in Hounsfield-Units Knochen 120 40 0 Knorpel Hirn weiß 80 Urin Wasser W a e s r F e t U n ir G a e l W e ß i e M a s e Galle Hirn grau G a r u e M a s e Blut Pankreas N e i e r Milz Muskel Niere P a n k e r a s M u s k e l B u l t Leber M z li L e b e r K n o rp e l Universität zu Lübeck -40 -80 -120 Fett -160 Lunge -400 Luft -1000 Institut für Neuroradiologie Physikalisches Prinzip Schwächungsgesetz: Universität zu Lübeck ∂I = -µ · I 0 ∂x bzw. mit I(x) = I0 · e -µ · x I = Intensität x = durchstrahlte Länge µ = linearer Schwächungskoeffizient 2 Institut für Neuroradiologie Bilderzeugung Objekt Schwächungsprofil Universität zu Lübeck Röntgenröhre Detektor Aufnahme des Schwächungsprofils Institut für Neuroradiologie CT Bild aus den Schwächungswerten Universität zu Lübeck 0 2 3 2 0 0 0 2 2 3 3 2 2 0 0 0 Institut für Neuroradiologie 2 3 2 0 Relative Häufigkeit 2011 Universität zu Lübeck CT 8% Unterrichtung durch die Bundesregierung Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung im Jahr 2012 Daten aus 2011 3 Universität zu Lübeck Institut für Neuroradiologie Relative Dosis 2011 CT 63% Unterrichtung durch die Bundesregierung Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung im Jahr 2012 Daten aus 2011 Institut für Neuroradiologie Messen des Schwächungsprofils Universität zu Lübeck Detektorkranz Röntgenröhre Institut für Neuroradiologie Single Slice CT Universität zu Lübeck Anordnung der Detektorelemente in xy-Richtung 4 Institut für Neuroradiologie Multi Slice CT Universität zu Lübeck Anordnung der Detektorelemente in xyz-Richtung Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Einzeilen CT Es wird eine Spirale mit Schwächungswerten gemessen Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Mehrzeilen CT Es werden vier Spiralen mit Schwächungswerten gemessen 5 Sagitale Rekonstruktion Institut für Neuroradiologie Frontale Rekonstruktion Institut für Neuroradiologie Abdomen 3D Rekonstruktion Universität zu Lübeck Universität zu Lübeck Universität zu Lübeck Institut für Neuroradiologie 6 Knie 3D Rekonstruktionen Universität zu Lübeck Institut für Neuroradiologie Institut für Neuroradiologie Fragen zur Computer-Tomografie Welchen Anteil hat die Computer-Tomografie Universität zu Lübeck an der Gesamtzahl der radiologischen Untersuchungen? 8 % im Jahre 2011 an der Strahlenbelastung der Bevölkerung? 63 % im Jahre 2011 Warum können moderne Spiral-CTs beliebige Schichtorientierungen und 3D-Ansichten rekonstruieren? Weil stets die Schwächungsprofile eines Volumens mit einer hohen räumlichen Auflösung gemessen werden. Institut für Neuroradiologie Magnet-Resonanz-Tomografie Bildbeispiele Physikalisches Prinzip Magnetisierungsvektor Universität zu Lübeck Kontraste, ρ, T1, T2 Spin-Echo-Sequenz Bilderzeugung 7 Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Schädel sagittal Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Großhirn transversal, T1-gew. Gradienten-Echo Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Großhirn transversal, T2-gew. Spin-Echo 8 Institut für Neuroradiologie Kreisel im Gravitationsfeld Gravitationsfeld Universität zu Lübeck Richtung des Drehimpulses Institut für Neuroradiologie Atomkerne im Magnetfeld Universität zu Lübeck Magnetfeld Richtung von Drehimpuls und magnetischem Moment Präzession mit Larmorfrequenz Institut für Neuroradiologie Larmorgleichung Resonanz - Bedingung Universität zu Lübeck f=γ·B f γ B Larmorfrequenz gyromagnetisches Verhältnis magnetische Flussdichte 9 Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Kerne mit i ≠ 0 Kern 1H 2H 10B 13C 14N 19F 31P i ½ 1 3 ½ 1 ½ ½ γ / MHz/T 42,6 6,5 4,6 10,7 3,1 40,1 17,2 nH / % 99,985 0,015 19,58 1,108 99,63 100 100 rE / % 100 0,97 1,99 1,59 0,10 83,3 6,63 Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Atomkern präzediert im Magnetfeld Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Viele Kerne induzieren ein HF-Feld 10 Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Atomkerne und Antenne in Wechselwirkung Institut für Neuroradiologie Free Induction Decay Universität zu Lübeck The decay of the induced signal arising from free precession of the nuclei in the field B0. Der Zerfall des Signals, das von den frei präzedierenden Kernen im Feld B0 induziert wird. Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Der Magnetisierungsvektor M 11 Institut für Neuroradiologie Der Magnetisierungsvektor M M im rotierenden Koordinatensystem x', y', z Universität zu Lübeck z Die x-y-Ebene rotiert mit der Larmorfrequenz um die z-Achse. y' X' Institut für Neuroradiologie Der Magnetisierungsvektor M M nach einem 90° HF-Impuls Universität zu Lübeck z y' X' ∆t einige µs Institut für Neuroradiologie Der Magnetisierungsvektor M Universität zu Lübeck z y' X' M nach der Erholung (Relaxation) wieder im thermodynamischen Gleichgewicht ∆t einige s 12 Institut für Neuroradiologie T1 – Zeiten der Hirngewebe T1 ist abhängig von der Stärke des statischen Magnetfeldes Universität zu Lübeck Beispiel: B0 = 1,5 Tesla Institut für Neuroradiologie T2 - Zeiten Universität zu Lübeck T2 ist weitgehend unabhängig von der Stärke des statischen Magnetfeldes Institut für Neuroradiologie 39 Universität zu Lübeck Kontrastgebende Parameter |M| Anzahl der 1H-Kerne im Voxel T1 longitudinale Relaxationszeit bzw. Spin-Gitter-Relaxationszeit T2 transversale Relaxationszeit bzw. Spin-Spin-Relaxationszeit 13 Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Spin-Echo-Sequenz 41 Institut für Neuroradiologie Spin-Echo 90°HF-Impuls Universität zu Lübeck 180°HF-Impuls Spin-Echo-Signal Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Spin-Echo-Sequenz Echozeit TE (z.B. 30 ms) Repetitionszeit TR (z.B. 1 s) 14 Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck Protonendichte Kontrast (Menge der 1H-Kerne) Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck T1 Kontrast Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck T2 Kontrast 15 46 Institut für Neuroradiologie Spin-Echo-Sequenz TR lang & TE kurz 3000 ms Universität zu Lübeck TR kurz & TE kurz 500 ms T1-gewichtet 10 ms TR lang & TE lang 3000 ms |M|-gewichtet 10 ms T2-gewichtet 100 ms Institut für Neuroradiologie Universität zu Lübeck FFT Institut für Neuroradiologie Fragen Wie lautet die Resonanzbedingung bzw. Larmorgleichung der Magnetresonanz-Tomografie? f =γ•B Universität zu Lübeck Resonanzfrequenz = gyromagnetisches Verhältnis • magnetische Flussdichte Welche Gewebeparameter beeinflussen den Kontrast eines MR-Bildes? Die Anzahl der Wasserstoffkerne (1H) Die Spin-Gitter- oder longitudinale Relaxationszeit T1 Die Spin-Spin- oder transversale Relaxationszeit T2 16
