Zusammenfassung

MRI-Angiographie
Time–of–Flight–Methode
Philipp Hermeling
Mat.-Nummer 144055
[email protected]
31.07.2014
TU Dortmund - Fakultät Physik
1
Einleitung
Zur Untersuchung von Gefäßkrankheiten ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Gefäße
(Angiographie) für die Diagnostik von großem Interesse. Die Kernspintomographie bietet diesbezüglich
verschiedene Vorteile gegenüber dem CT. Das bildgebende Verfahren auf Grundlage der Kernspinresonanz ist zum Einen nicht–invasiv und zum Anderen wird keine ionisierende Strahlung verwendet,
ebenso kann auf sogenannte Kontrastmittel verzichtet werden. Damit sind diese Verfahren mit einem
sehr geringen gesundheitlichem Risiko für den Patienten verbunden. Verschiedene Techniken erlauben
es eine 3D–Darstellung der Blutgefäße zu generieren, so dass qualitative Aussagen über die Morphologie
der Gefäß möglich sind. Ebenso ist es möglich den Blutfluss quantitativ zu messen und zu beschreiben.
Im folgendem werden verschiedene Messmethoden vorgestellt, die sich für Angiographie und Flussmessung eignen.
2
Physikalische Grundlagen
Die physikalische Grundlage der Magnetresonanz ist der anomale Zeemann–Effekt bei Kernen. Dabei handelt es sich
um eine Energieaufspaltung im externen Magnetfeld. Die
Orientierung des Kernspins kann 2I + 1 (mit I = Kernspinquantenzahl) Möglichkeiten annehmen, wodurch die verschiedenen Energieniveaus bestimmt sind. Beim Wasserstoff
ist I = 12 , sodass 2 Energieniveaus existieren. Die Kernspins
richten sich parallel und antiparallel entlang der Magnetfeldrichtung aus, wobei es einen Überschuss von parallel ausgerichteten Spins gibt, sodass sich eine Netto–Magnetisierung
einstellt. Unter der Bedingung ∆E = ~ω0 = ~γB0 kann man
zwischen den beiden Energieniveaus resonant anregen (siehe Abbildung 1), wobei ∆E die Energiedifferenz zwischen
den beiden Zuständen ist, ~ das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum, ω0 die resonante Larmor–Frequenz, γ das
spezifische gyromagnetische Verhältnis und B0 das externe
Abbildung 1: Schematische Darstellung
Magnetfeld ist. Die Anregung wird durch ein eingestrahltes
der Zeemann–Aufspaltung.
Magnetfeld B(t) realisiert, das senkrecht zur B0 –Richtung
mit der Larmor–Frequenz ωRF = ω0 schwingt. Anregung
bedeutet, dass die Netto–Magnetisierung in die Detektionsebene gekippt wird, wo sie mit der Larmor–
Frequenz um das B0 –Feld präzidiert. Diese Präzessionsbewegung kann mit einer Induktionsspule gemessen werden.
Die Bildgebung ist durch das Konzept von Magnetfeldgradienten realisiert. Die Idee dabei ist in verschiedene Raumrichtungen Magnetfeldgradienten anzulegen, sodass durch ein bekanntes räumlich variiertes
Magnetfeld die Resonanzfrequenz ortsabhängig wird: ω(~r) = γ (B0 + G(~r)~r) , wobei ~r den Ort und
G(~r) das Gradientenfeld darstellt. Das NMR–Signal enthält dann Informationen für die ortsabhängige
Protonendichte des zu untersuchenden Mediums, hier im Speziellen des Gewebes.
3
Time–of–Flight
Das Prinzip der Time–of–Flight–Methode (TOF) ist in Abbildung 2 dargestellt. Durch eine schnelle Pulssequenz wird
in einer selektierten Schicht das stationäre Gewebe gesättigt,
während das Blut, das senkrecht zur Schicht fließt, weniger
stark gesättigt wird, da zwischen den Anregungspulsen ungesättigtes Blut nachfließt. Das gesättigte stationäre Gewebe liefert so ein schwaches NMR–Signal, während das fließende ungesättigte“ Blut ein stärkeres NMR–Signal liefert.
”
Bei 2D–TOF werden in einem Raumbereich mehrere Bilder von sich angrenzenden dünnen Schichten aufgenommen
(um ein besseres Endergebnis zu erhalten können sich die
Schichten auch überlappen). Mit Hilfe von Projektionsverfahren (z.B. MIP = maximum intensity projection) erhält
man eine Darstellung der Blutgefäße (siehe Abbildung 3).
Bei 3D–TOF wird ein größerer Raumbereich (slabs) auf
einmal angeregt, der in einzelne Schichten unterteilt wird.
Mit Hilfe von verschiedenen Überlagerungstechniken mehrerer slabs (z.B. MOTSA oder MOSA) können verbesserte
Gefäßdarstellungen erzielt werden (siehe Abbildung 4).
Abbildung 2: Schematische Darstellung
der TOF–Methode.
aus: Siemens AG, Medical Solution, InfoBroschüre: Magnete, Fluss und Artefakte...
Abbildung 3: Mehrere Bilder (links) sich angrenzender Schichten werden aufgenommen, um schließlich
durch Projektionsverfahren eine angiographische Darstellung der Blutgefäße zu erhalten (rechts).
aus: McRobbie et al., MRI from Picture to Proton, verändert.
4
4.1
Weitere Methoden
DANTE–Sequenz
Eine artverwandte Methode des TOF ist die Flussmessung mittels der DANTE–Sequenz. Mit Hilfe einer
speziellen Pulssequenz werden in der zu untersuchenden Schicht abstandsweise Streifen durch Sättigung
derart erzeugt, dass sich ein Quadratmuster auf dem Bild ergibt. Nach Ablauf einer einstellbaren Lauf-
2
Abbildung 4: MOTSA (multiple overlapping thin slab aqcuisition), links: Schematische Darstellung der
MOTSA–Methode, aus: S. Baumann, Time–of–flight–Magnetresonanzangiographie...
Rechts: Angiographie mit MOTSA–Methode, aus McRobbie et al., MRI from Picture to Proton.
zeit (time of flight) im Anschluss an die DANTE–Sequenz wird ein Bild aufgenommen. Anhand der
Verformung des Gitters lässt sich ein Rückschluss auf das Fließverhalten machen (siehe Abbildung 5).
Abbildung 5: Flussmessung mit DANTE–Sequenz an einer Gefäßverengung (step stenosis) für verschiedene Flussgeschwindigkeiten bzw. Reynolds–Zahlen Re, time of flight 0,12 s
aus: Moser et al., Velocity measuerment of flow..., verändert.
4.2
Arterial Spin Labeling
Eine weitere Methode zur Angiopraphie, die auf eine Laufzeitmessung beruht, ist das Arterial Spin
Labeling (ASL). Diese Methode findet eine Anwendung zur Untersuchung der Gehirngefäße. Das Prinzip
besteht darin, dass man außerhalb des interessanten Bereichs das arterielle Blut, das also zum Gehirn
hin fließt, durch Sättigung markiert. Nach einer gewissen Laufzeit wird im Bereich des Interesses eine
Bildaufnahme gemacht, wobei die Pulssequenz derart konstruiert ist, dass nur das zuvor markierte Blut,
dass inzwischen in den interessanten Bereich hinein geflossen ist, ein NMR–Signal liefert, während das
unmarkierte Gewebe signalarm ist (siehe Abbildung 6).
Abbildung 6: Prinzip des ASL.aus: Wu et al., Non-contrast Intracranial 3D MR Angiography...
3
5
Literatur
A. Caprihan, E. Fukushima, Flow Measurements by NMR, Physics Reports 198, No. 4 (1990) 195-235
Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong J. Zhou, Handbook of MRI Pulse Sequences, Elsevier
Academic Press, 2004
Dissertation von Sandra Baumann, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011, Time-of-flightMagnetresonanzangiographie mit kontinuierlich bewegtem Patiententisch,
http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8082/pdf/Diss Baumann.pdf, vom 29.05.2014
Siemens AG, Medical Solution, Info-Broschüre: Magnete, Fluss und Artefakte, Grundlagen, Techniken und Anwendungen der Magnetresonanztomographie, 2004
K. W. Moser, E. C. Kutter, J. G. Georgiadis, R. O. Buckius, H. D. Morris, J. R. Torczynski, Velocity measuerment of flow through a step stenosis using Magnetic Resonance Imaging, Experiments in
Fluid 29 (2000) 438-447
W. L. Davis, D. D. Blatter, H. R. Harnsberger, D. L. Parker, Intracranial MR Angiography: Comparison
of Single-Volume Three-Dimensional Time-of-Flight and Multiple Overlapping Thin Slab Acquisition
Techniques, AJR 1994;163:915-920
S. K. Hui, J. Yang, S. C. Cheung, E. X. Wu, MOTSA TOF-MRA using multi-oblique-stack acquisition (MOSA), Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 14 (2006)
D. W. McRobbie, E. A. Moore, M. J. Graves, M. R. Prince, MRI from Picture to Proton, second
edition 2007, Cambridge Uniserity Press
U. Görke, R. Kimmich, J. Weis, Detection of Anisotropic Pulsating Flow and Its Velocity-Fluctuation
Rate in Fertilized Bird Eggs by NMR Microimaging*, Magn. Reson., Ser. B, 1996, 111, 236
H. Wu, W. F. Block, R. Turski, C. A. Mistretta, K. M. Johnson, Non-contrast Intracranial 3D MR
Angiography using Pseudo- Continuous Arterial Spin Labeling(PCASL) and Accelerated 3D Radial
Acquisition. Magn. Reson. Med. 2013 March 1; 69(3): 708-715.
4