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“kompendium” — 2010/10/12 — 8:33 — page 334 — #346
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5. Elektrizität
schen Evolution entstammenden Störfaktoren krankmachende Bedeutung zukommt. Mögliche Schädigung durch Strahlung niederfrequenter
als sichtbares Licht muß wegen des Fehlens eines eindeutigen biophysikalischen Wirkungsmodus als medizinisch extrem unwahrscheinlich bezeichnet werden, doch scheinen digitale Funktelefone (Handys) die REMSchlafphasen stark abzukürzen, aber auch den Zeitbedarf für das Einschlafen zu verkürzen.
5.5 Kernspintomographie und Spektroskopie
5.5.1 Magnetische Dipolmomente, Larmor-Frequenzen
Ein Verfahren, das schon seit 1946 zur Strukturaufklärung organischer Moleküle in physikalisch-chemischen Experimenten eingesetzt wird
und magnetische Kernresonanz genannt wird, wurde durch die Entwicklung großer Hochleistungsmagnete und leistungsfähiger Computer
zu einem neuen bildgebenden Verfahren in der Medizin. Es ist ein
nichtinvasives, nichtstrahlenbelastendes, medizinisch-diagnostisches Verfahren. Nach dem großen Erfolg der Röntgen-Computertomographie
(s. Kap. 7.5.3) findet dieses neue Verfahren, welches Tomographie13 sogar in frei wählbarer Orientierung (z.B. in der Körperlängsachse) erlaubt, weltweit größtes Interesse, denn es zeichnet sich durch sehr hohe Kontraste bei Weichteilgeweben aus. Die Kernspintomographie
wird beim klinischen Einsatz bald ebenso oft gefunden werden wie die
Röntgen-Computertomographie. Es gibt noch verschiedene Kurznamen,
z.B. NMR (nuclear magnetic resonance) oder MRI (magnetic resonance
imaging) für das bildgebende Verfahren der Kernspintomographie.
Die Kernspinspektroskopie erlaubt eine in vivo Biochemie, d.h. die
chemische Analyse bestimmter Atome und Moleküle und eröffnet so ganz
neue Möglichkeiten, nichtinvasiv wichtige chemische Veränderungen im
Körper wie Kenngrößen des Stoffwechsels gesunder und kranker Zellen
nachzuweisen (z.B. pH, energiereiche Phosphate etc.).
Sowohl MR-Tomographie als auch Spektroskopie beruhen auf demselben Prinzip, nämlich dem Verhalten von Atomkernen im hochfrequneten
magnetischen Feld unter Anregung mit niederfrequenten elektromagnetischen Wellen. Elektromagnetische Wellen im Bereich von Radiofrequenzen zeigen ein gutes Durchdringungsvermögen des menschlichen Körpers
und Wechselwirkungen mit Atomkernen. Sie sind darin Röntgenstrahlen
13
tìmh:(tome) die Schicht, der Schnitt Tomographie:Abbildungen von dünnen
Körperschichten
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“kompendium” — 2010/10/12 — 8:33 — page 335 — #347
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5.5 Kernspintomographie und Spektroskopie
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ähnlich, die aber mit den Elektronen in der Atomhülle in Wechselwirkung treten. Im mittleren Frequenzbereich über 150 MHz (und unterhalb 20 keV), also für Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht und UV,
ist der menschliche Körper so wenig durchlässig bzw. opaque, daß kaum
Bildgebung möglich ist.
Die kernmagnetische Resonanz beruht auf den speziellen gyromagnetischen14 Eigenschaften von Atomkernen mit einer ungeraden Nukleonenzahl. Diese Kerne, wie z.B. die biologisch wichtigen von Wasserstoff
(1 H), Phosphor (31 P), Kohlenstoff (13 C) und Natrium (23 Na), besitzen
einen Kernspin (Drall) und verbunden damit ein magnetisches Moment.
Durch ihr magnetisches Moment versuchen diese Kerne, sich im Magnetfeld auszurichten. Da sie aber auch einen Drehimpuls besitzen, der
seine Lage im Raum nicht verändern will, resultiert dabei eine Präzessionsbewegung analog zu einem sich drehenden Kreisel, der durch die
14
gũros:(gyros) Kreis, Windung
Abb. 5.49 Die Larmor-Präzessions-Kreiselbewegung eines Protons in einem magnetischen Feld
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“kompendium” — 2010/10/12 — 8:33 — page 336 — #348
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5. Elektrizität
Schwerkraft gekippt wird (Abb. 5.49). Diese Frequenz (Larmor-Frequenz
ω) ist proportional zum angelegten Magnetfeld (B0 ) und die Proportionalitätskonstante (γ) ist die gyromagnetische Kenngröße der Materie
(s.u.).
Im Gegensatz zu einem makroskopischen Kreisel, der im Schwerefeld jede beliebige Orientierung einnehmen kann, dürfen die Atomkerne nur Lagen einnehmen, die den quantenmechanischen Gesetzen entsprechen. Für einen Atomkern mit einem Spin von 1/2 (z.B. 1 H) ergeben sich so nur zwei mögliche Orientierungen. Diese Kerne können
in einem bestimmten Winkel entweder parallel oder antiparallel zum
äußeren Feld präzessieren (Larmor-Präzession). In quantenmechanischer
Betrachtungsweise entsprechen die beiden Orientierungen unterschiedlichen Energieniveaus. Damit resultiert zwischen den Einstellmöglichkeiten eine Energiedifferenz ∆E (Abb. 5.50). Um nun in einem NMR-
Abb. 5.50 Magnetische Dipolmomente von Atomkernen orientieren sich im magnetischen Feld entweder in Feldrichtung oder gegen die Feldrichtung (vgl. das Dipolmoment eines Protons im magnetischen Feld als analoges Beispiel in Abb. 5.49). Steht
ein Kerndipolmoment parallel zum Feld (B0 ), dann ist das ein Zustand niedrigerer
Energie (E1 ) als der antiparallele Zustand (höhere Energie E2 ). Die Energiedifferenz
(∆E) hängt von der Stärke des Magnetfeldes (B0 ) ab.
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“kompendium” — 2010/10/12 — 8:33 — page 337 — #349
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5.5 Kernspintomographie und Spektroskopie
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Experiment Übergänge zwischen diesen beiden Orientierungen zu ermöglichen, muß ein Energiequant mit ∆E entweder aufgenommen oder
abgegeben werden. Der Energieaustausch erfolgt im Resonanzfall durch
ein hochfrequentes Magnetfeld mit der Frequenz f0 . Diese Resonanzfrequenz f0 ist gleichzeitig auch die Präzessionsfrequenz der jeweiligen
Kernspins (Larmor-Frequenz) und durch die kernspezifische gyromagnetische Konstante γ und dem angelegten Magnetfeld B0 bestimmt. Es gilt
die folgende, wichtige Beziehung:
ν=
γ
2π B0
Für Protonen ist y/2π gleich 42.54 MHz/T. Die Verteilung der Kernspins
auf die beiden Energieniveaus wird durch eine Boltzmann-Verteilung15
bestimmt. Aus dieser folgt für Protonen, daß bei einer Temperatur von
37 ◦ C und einem Feld von 1 T nur ein geringfügiger Überschuß von 6.6
ppm (parts per million = 1 : 1 000 000) in die energetisch günstigere Feldrichtung orientiert ist. Da dieser minimale Überschuß von Kernspins die
makroskopisch meßbare Kernmagnetisierung M0 darstellt, ist dies auch
gleichzeitig der Grund für die geringen Signalstärken in der kernmagnetischen Resonanz. Allgemein ist die Magnetisierung M0 einer Probe
direkt proportional der Kernspindichte ρ des untersuchten Isotops, dem
Quadrat der gyromagnetischen Konstante γ 2 und dem angelegten Feld
B0 . Dies erklärt die überragende Bedeutung des Wasserstoffkerns 1 H in
der medizinisch genutzten Kernspinresonanz, da dieser von den biologisch relevanten Kernen das höchste γ besitzt (42.58 MHz/T) und als
Isotop zu 99.00% vorkommt (Tab. 5.7).
Der klassische Kreisel kann durch Energieaufnahme alle Winkeländerungen des Umklappens“ stetig durchlaufen (Abb. 5.51), das quan”
tenhafte Verhalten der Kernspins des Einzelteilchens geht in der Masse
(1020 und mehr Kerne) unter und ist nicht zu messen. Die Übergänge des
Kernspins zwischen den beiden Energieniveaus (E1 und E2 in Abb. 5.50)
können zur Gleichbesetzung führen, dann gibt es gleich viele magnetische Spins, d.h. die makroskopische Magnetisierung wird zu Null in Richtung der magnetischen Feldstärke. Diese Gleichbesetzung der Energieniveaus kann man durch einen kurzen, intensiven Hochfrequenzimpuls mit
der Larmor-Frequenz erhalten.Wenn die Magnetisiserung durch einen
Hochfrequenz-Impuls z.b. um 90 Grad gekippt wird, induziert die in der
transversalen Ebene rotierende Magnetisierung ein Signal in einer ent15
Boltzmann, Ludwig:österr. Physiker und Mathematiker (1844–1906). Er beschrieb
die zeitliche Änderung einer Wahrscheinlichkeitsdichte im Phasenraum, z.B. die
Zahl der Moleküle mit einer Energie zwischen E und E + ∆E.
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5. Elektrizität
sprechend orientierten Spule(Abb. 5.51) Ein solcher Impuls dreht“ die
”
Magnetisierung um frei wählbare Winkel bis hin zum völligen Umklap”
pen“. Man spricht dann von 180 ◦ -Impulsen bzw. von 90 ◦ -Impulsen zur
rechtwinkeligen Kippung. Amplitude und Dauer des Impulses bestimmen den Winkel der Drehung der Magnetisierung Mt aus der Feldstärkerichtung (Abb. 5.51)
Abb. 5.51 Die Bewegung des magnetischen Dipolmoments in einem äußeren Magnetfeld (B0 ) unter dem Einfluß der Resonanz durch ein hochfrequentes Drehfeld
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“kompendium” — 2010/10/12 — 8:33 — page 339 — #351
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5.5 Kernspintomographie und Spektroskopie
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Tab. 5.7 Wichtige Daten von Atomkernen, die für NMR-Tomographie und in-vivo
Spektroskopie interessant sind
Kern
(Nuklid)
Relative natürliche
Häufigkeit in %
molaren Konzentrationen
Relative Empfindlichkeit
gegen 1 H, bei gleichem
Feld B0 und gleicher
Zahl von Kernen
1
99.0
1.6
0.35
0.1
0.078
0.045
0.031
0.015
0.0066
1.0
0.066
0.016
0.093
0.0005
0.029
0.096
0.830
H
N
31
P
13
C
23
Na
39
K
17
O
2
H
19
F
14
5.5.2 Relaxation
Wenn man ein biologisches Gewebe in ein Magnetfeld gibt, bildet sich
unmittelbar nach dem Einbringen der Probe die Kernmagnetisierung
aus, die nach einer gewissen Zeit einen stationären Gleichgewichtszustand parallel zum äußeren Feld erreicht. Diese Magnetisierung ist nicht
direkt meßbar, doch bei Drehung aus der Feldstärkerichtung, z.B. um
90 ◦ (Abb. 5.53)
Abb. 5.52 Nach einer 90 ◦ -Kippung der Magnetisierung ist die Magnetisierung in
Feldrichtung zum Zeitpunkt Null ebenfalls Null (Abb. 5.54 a). Die transversale Magnetisierung Mt aller Spins sind nur anfangs in Phase, Unterschiede in den Oszillationsfrequenzen führen rasch zur Desynchronisierung und zum Abbau der Magnetisierung transversal zur Feldrichtung. Rechts ist trotz 90 ◦ -Kippung durch Desynchronisierung die Netto-Magnetisierung transversal zur Magnetfeldrichtung Null geworden
(Spin-Spin-Relaxationszeit T2 ).
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“kompendium” — 2010/10/12 — 8:33 — page 340 — #352
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5. Elektrizität
würde ein Spule durch die nun senkrecht zur magnetischen Feldstärke
mit der Larmor-Frequenz rotierende Magnetisierung (Mt ) eine Wechselspannung induziert bekommen (Abb. 5.53). Dies ist das MR-Meßsignal ,
welches von der gleichen Spule aufgenommen werden kann, die auch zur
Abstrahlung des Hochfrequenzimpulses dient. Natürlich ist die durch
Resonanz und Energieaufnahme erzielte Drehung der Magnetisierung
als energiereicherer Zustand nicht von Dauer, nach einiger Zeit stellt
sich wieder die ursprüngliche Verteilung ein (die parallele oder antiparallele Einstellung eines Protons kann z.B. sehr leicht durch thermische
Stöße erfolgen). Je mehr Spins sich in einer Probe befinden, je höher
also die Atomkerndichte einer Sorte ist, desto größer ist die Magnetisierung und damit auch die Anfangsamplitude des Kernresonanzsignals
nach einem Impuls zur Drehung der Magnetisierung. Neben der Amplitude des MR-Signals spielt auch deren zeitliches Abklingen eine wichtige
Rolle, die sogenannte Quer-Relaxation (free induction decay, FID). Abbildung 5.54 zeigt das zeitliche Abklingen des MR-Signals durch Wiederherstellung der normalen Magnetisierung in Feldrichtung (auch als
longitudinale Magnetisierung bezeichnet) einmal nach einem 90 ◦ -HFImpuls (Saturation-Recovery, SR, Abb. 5.54 a) sowie nach einem 180 ◦ HF-Impuls (Inversion-Recovery, IR, Abb. 5.54 b)
Abb. 5.53 Wenn die Magnetisierung (Mt ) aus der Feldrichtung um 90 ◦ gekippt wurde, erhält eine Hochfrequenzspule, induziert durch das sich mit der Larmor-Präzessionsfrequenz ändernde Magnetfeld, ein Signal. Ist die Magnetisierung dagegen in
Feldrichtung orientiert, erhält die Spule kein Signal.
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5.5 Kernspintomographie und Spektroskopie
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jeweils für kurze oder lange Abklingzeiten. Das Abklingen erfolgt mit
einer exponentiellen Zeitabhängigkeit, die Zeit bis zum Abfall der Amplitude auf 37% (1/e) wird als T1 oder als Spin-Gitter-Relaxationszeit
bezeichnet. Dieser Abklingvorgang beruht auf der Energieübertragung
der angeregten Kerne auf das umgebende Materialgitter. Energieübertragung kann durch Vibration, Rotation und Translation erfolgen und ist
am wirksamsten dann, wenn das Gitter im Bereich der Larmor-Frequenz
anregbar ist. Festkörper schwingen viel hochfrequenter (1012 − 1013 Hz)
als Larmor-Frequenzen, deswegen sind die T1 -Zeiten in Festkörpern lang
(in Eis niedriger Temperatur z.B. Stunden), in Flüssigkeiten dagegen
kurz. Die Stoffzusammensetzung und die Magnetfeldstärke (LarmorFrequenz) beeinflussen T1 , vor allem aber hängt die Geschwindigkeit
der Wiederherstellung der normalen Magnetisierung davon ab, ob oszillierende Magnetfelder oder Schwingungen von Nachbar-Atomen im
Larmor-Frequenzbereich (107 − 108 Hz) vorliegen. Molekülrotationen in
Abb. 5.54 Die zeitliche Abnahme (Relaxation) des Magnet-Resonanz-Signals
durch Wiederherstellung der normalen Magnetisierung in Feldrichtung. Nach einem
Hochfrequenz-Impuls, der eine Kippung um 90 ◦ (a) oder um 180 ◦ (b) bewirkt, ist
die Magnetisierung zum Zeitpunkt 0 entweder 0 (a) oder -M (b). Die Zeitkonstante
des exponentiellen Abfall auf 1/e (ca. 37%) wird als T1 -Relaxationszeit bezeichnet,
und sie ist je nach Gewebeart verschieden (Tab. 5.8).
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5. Elektrizität
Tab. 5.8 T1 -Relaxationszeiten (in Sekunden) in verschiedenen normalen oder in durch
Krebs entarteten (tumorösen) Geweben des Menschen. Die T1 -Relaxationszeiten in
Krebsgewebe sind deutlich länger als in gesundem Gewebe.
Gewebe
Haut
Skelettmuskeln
Milz
Lunge
Knochengewebe
Speiseröhre
Magen
Darm
Leber
Normal
0.62
1.02
0.70
0.79
0.55
0.80
0.76
0.64
0.57
Tumorös
1.05
1.41
1.13
1.11
1.03
1.10
1.23
1.22
0.83
Flüssigkeiten liegen im Bereich der Larmor-Frequenzen und verursachen
T1 -Zeiten von einigen Sekunden in Wasser (die Gitterschwingungen in
Eis sind dagegen mit 1013 Hz viel zu hochfrequent und T1 ist lang).
Der T1 -Wert erlaubt daher Rückschlüsse auf die Wechselwirkung zwischen Atom bzw. Molekül und seiner Umgebung. In reinen Flüssigkeiten bewegen sich die Moleküle zu rasch für eine gute Energieübertragung und deshalb hat an Zellproteine gebundenes Wasser im Gewebe
kürzere T1 -Zeiten (0.2 – 0.8 s) als freies Wasser (ca. 3 s). Bei pathologischen Veränderungen im menschlichen Körper dienen Unterschiede
in den T2 +-Zeiten der Gewebsdifferenzierung bei der bildgebenden MRTomographie (Tab. 5.8). Die verschiedenen biologischen Gewebe unterscheiden sich in ihren Relaxationszeiten (T1 = 150 ms bis 3 000 ms, T2 =
40 ms bis 2 000 ms) wesentlich mehr als durch die Spindichte ρ. Daraus
resultiert die überragende Bedeutung der Relaxationsvorgänge für den
Kontrast im Kernspintomogramm.
5.5.3 T2 -Relaxation
Nach einem 90 ◦ -Impuls ist die Magnetisierung in Feldrichtung Null und
nur transversal eine Magnetisierung vorhanden (Abb. 5.53). Auch diese
Magnetisierung kann mit der Larmor-Frequenz um die Feldstärkerichtung nur dann rotieren und ein Signal liefern, wenn alle Spins in Phase
sind und bleiben, also gleiche Larmor-Frequenzen besitzen und beim
Umkippen in Phase gebracht werden. Nur das in Phase bringen beim
Umkippen funktioniert, dagegen gibt es immer Feldinhomogenitäten und
Störeinflüsse z.B. von Nachbarprotonen im selben Wassermolekül. Die
resultierenden Unterschiede in der Oszillationsfrequenz führen rasch zur
Desynchronisierung und zum Abbau der Magnetisierung in Richtung
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