Grundlagen der MR-Bildgebung ¨Ubersicht
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Grundlagen der MR-Bildgebung Jürgen Finsterbusch Slide 1 Klinik für Neurologie, UKE, Hamburg Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung Bildgebungsverfahren Slide 2 fMRI Sicherheit Kernspinresonanz Nuclear Magnetic Resonance (NMR) experimenteller Aufbau zeitlicher Ablauf Datenaufnahme Magnet Spule statisches Magnetfeld Probe Slide 3 Wechselfeld Free Induction Decay (FID) Wechselfeld, Signal Signal Atomkerne mit Eigendrehimpuls (Spin) hochfrequentes Wechselfeld geeigneter Frequenz (statisches) Magnetfeld induzierte Spannung (Signal) Sende-/Empfangsspule Relaxation (senkrecht zum Magnetfeld) Quantenmechanik Eigendrehimpuls (Spin) magnetisches Moment Bsp: 1 H (Wasser, Fett), 3 He, 13 C, 17 O, 23 Na, 31 P, im Magnetfeld: ”Richtungsquantelung” nur bestimmte Ausrichtungen des Spins möglich Slide 4 1 H: Spin ’parallel’ ( ) oder ’antiparallel’ ( ) B ohne Magnetfeld mit Magnetfeld Präzession – – : gyromagnetisches Verhältnis = Magnetisierung Thermisches Gleichgewicht Ausrichtungen im Magnetfeld: unterschiedliche Energie Energie Slide 5 PSfrag replacements ohne schwaches starkes Magnetfeld B niedrige Energiezustände bevorzugt M Besetzungszahldifferenz (typisch: 100.001:99.999) PSfrag replacements Magnetisierung in Richtung des Magnetfeldes (”longitudinal”) Magnetfeldstärke, , Spindichte, 1/Temperatur Präzessions-Phase der Spins statistisch verteilt keine Magnetisierung senkrecht zum Magnetfeld (”transversal”) Hochfrequenz-(HF-)Anregung Quantenmechanisch HF-Feld: Energie Anheben von Spins auf ein höheres Energieniveau (”Umklappen”): – HF-Feld senkrecht zum Magnetfeld – !"#$#% Slide 6 PSfrag replacements &' longitudinale Magnetisierung reduziert gleichphasige Präzession der Spins (Phasenkohärenz) B transversale Magnetisierung Auslenkung der Magnetisierung Präzession HF-Anregung und rotierendes Koordinatensystem B Klassisch HF α M Magnetfelder senkrecht zur Magnetisierung: Kraft auf Magnetisierung HF-Feld: – versucht Magnetisierung auszulenken Slide 7 – ausgelenkte Magnetisierung präzediert (statisches Magnetfeld): Richtung der Kraft (HF-Feld) muß entsprechend mitrotieren präzedierende Magnetisierung induziert Spannung in Spule NMR-Signal Magnetisierung, HF α M Kippwinkel ( : HF-Amplitude, HF-Dauer rotierendes Koordinatensystem Relaxation Rückkehr in Gleichgewichtszustand (exponentiell) Spin-Spin-Wechselwirkung transversale Magnetisierung verschwindet (T2-Relaxation) Spin-Gitter-Wechselwirkung longitudinale Magnetisierung wird wieder aufgebaut (T1-Relaxation) Slide 8 T1 ) T2 Betrag der Magnetisierung nicht konstant! B HF M ... typische Werte (Gewebe) – T1: 600 – 1000ms, T2: 60 – 100ms Magnetfeldinhomogenitäten und T2 * Free Induction Decay (FID) α FID HF/Signal Slide 9 inhomogenes Magnetfeld: räumlich unterschiedliche Präzessionsfrequenzen Magnetisierung läuft auseinander (”Dephasierung”) Gesamtsignal nimmt ab Zeitkonstante: T2 + ( , T2) (typisch: 30 – 60 ms) BOLD-Kontrast Spinecho Refokussierung: 90° FID 180° Spinecho HF/Signal Slide 10 TE/2 TE/2 – T2-Wichtung unempfindlich gegen Magnetfeldinhomogenitäten TE: Echozeit Kernspinresonanz Zusammenfassung Magnetisierung: Besetzungszahldifferenz der Energieniveaus magnetischer Momente Anregung: hochfrequentes Wechselfeld geeigneter Frequenz lenkt die Magnetisierung aus Slide 11 Präzession: die ausgelenkte Magnetisierung präzediert um die Richtung des Magnetfeldes Induktion: die präzedierende Magnetisierung erzeugt eine Spannung in der Spule Relaxation: die Magnetisierung kehrt in den Gleichgewichtszustand zurück (N)MR-Bildgebung: Ortskodierung Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung Bildgebungsverfahren Slide 12 fMRI Sicherheit Magnetfeld-Gradient (linear) ortsabhängiges Magnetfeld zusätzlich zum statischen Magnetfeld ( .- ) schaltbar in beliebiger Richtung, mit variabler Stärke NMR-Frequenz ortsabhängig, z.B. (Gradient in / -Richtung) .01.-3254768/9 Slide 13 homogenes Magnetfeld + Gradient (linear) PSfrag replacements PSfrag replacements / / / Änderung der Magnetfeldstärke, nicht -richtung! typisch: : 8 mT, in 0.2 ms Frequenzkodierung Gradient während der Datenaufnahme: Datenaufnahme HF/Signal Gradient Slide 14 Frequenz des Signals proportional zur Ortskoordinate in Gradientenrichtung B 1 2 x 3 Frequenzanalyse: Fourier-Transformation (FT) = 2x + FT ; 1 2 3 ω Frequenzkodierung Beispiel >=<>=< >=<>=< >=<>=< >=<>=< ><>< ><=><=>=<>=< >=<>=< >=<>=< ><>< >=< >=< >=< >=< >< B=AB=A B=AB=A B=AB=A B=AB=A BABA A=BA=B A=BA=B A=BA=B A=BA=B ABAB A=B A=B A=B A=B AB @=?@=? @=?@=? @=?@=? @=?@=? @?@? @?=@?=@=?@=? @=?@=? @=?@=? @?@? @=? @=? @=? @=? @? D=CD=C D=CD=C D=CD=C D=CD=C DCDC C=DDC=C=DD=C C=DD=C C=DD=C CDDC D=C D=C D=C D=C DC x x FT Slide 15 Projektion ω x Schichtselektion Gradient während der HF-Anregung Datenaufnahme α HF/Signal Slide 18 Gradient B HF-Pulsform (Einhüllende!) FT ; ∆t ∆ω Zeit ∆ω Frequenz schmaler Bereich von Frequenzen in HF-Anregung räumlich selektive HF-Anregung ∆x x Schichtselektion B B ∆ω ∆ω Slide 19 x ∆x x ∆x Schichtposition: mittlere HF-Frequenz Schichtdicke: – Stärke des Gradienten – Frequenzbereich (”Bandbreite”) der HF-Anregung Schichtprofil: HF-Pulsform – !FEHGJIKL!F ; FT ∆t – Rechteck: sinc-Form (sin 0MEN9NKOE ) Zeit ∆ω Frequenz Phasenkodierung Gradient zwischen HF-Anregung und Datenaufnahme: Datenaufnahme HF/Signal Gradient Slide 20 unterschiedliche Präzessionsfrequenzen während des Gradienten Gradient Datenaufnahme B 3 2 1 ortsabhängige Phasenverdrehung proportional zu Gradientenstärke und Dauer 1 2 3 x Phasenkodierung Doppeldeutigkeit: Gesamtsignal Gradient Datenaufnahme B 3 1 1 Slide 21 3 x 3+1 Doppeldeutigkeit: Phase (”Einfaltung”) Gradient Datenaufnahme B 3 3’ PRQMSUTWVNPYX PSfrag replacements 3’ 3 x Messung mit vielen verschiedenen Gradientenstärken wiederholen Phasenkodierung Phasenkodiergradient mit verschiedenen Amplituden α Datenaufnahme HF/Signal Z\[^] PSfrag replacements Gradient L Slide 22 Gradient Sfrag replacements Frequenzanalyse ... ... ... ... ... ... k-Raum Ortskodierung: Fläche unter dem Gradienten (Amplitude, Dauer) k-Raum: _`0UEN9abdc3- e 4f0MEhgi9=jEhg Frequenz- und Phasenkodierung Datenaufnahme Slide 23 Frequenz Phase – abgedeckter Bereich ( _ kmln6 ) räumliche Auflösung – Abstand der Datenpunkte ( !o_ ) Meßfeld Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung Bildgebungsverfahren Slide 24 fMRI Sicherheit 2D-Sequenz Schichtselektion (1) Phasenkodierung (2) Datenaufnahme mit Frequenzkodierung (3) wiederhole Datenaufnahme mit verschiedenen Phasenkodierstärken Slide 25 zweidimensionale Fourier-Transformation Rohdaten (Betrag) Bild (Betrag) FT FLASH Sequenzdiagramm Datenaufnahme α HF/Signal TE Slide 26 Schicht Frequenz Phase TR Gradientenecho kleiner Kippwinkel ( schnelle Repetition α L mal FLASH Beispiele: T2 + -gewichtet T1-/Fluß-gewichtet Slide 27 typische Parameter: – ( : 10p – 30 p – TR: 15 – 60 ms, TE: 5 – 30 ms – Auflösung: 1mm – 2 – 6 s / Schicht Echo-Planare Bildgebung (EPI) Phasenkodierung Phase ... Phase Sequenzdiagramm (FID-EPI) α Slide 28 HF Schicht Frequenz Phase ”Single-Shot”-Technik Gradientenechos Datenaufnahme EPI kurze Meßzeit – große Volumenabdeckung – unempfindlich gegen Bewegung anfällig für Artefakte Datenaufnahme Slide 29 Frequenz Phase – N/2-Geister – chemische Verschiebung (Fett!) – Magnetfeldinhomogenitäten und Suszeptibilitätsdifferenzen: Auslöschungen, geometrische Verzerrungen EPI Beispiele: FID-EPI Slide 30 typische Parameter: – 1 ms / Echo – Auflösung: 2 – 3 mm – mittlere Echozeit: 20 – 70 ms – 100 ms / Schicht Spinecho-EPI schnelle Spinecho-Bildgebung Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung Bildgebungsverfahren fMRI Slide 31 Sicherheit BOLD-Kontrast Hämoglobin aktive Gruppe: Häm (Fe deoxy-Hb (Fe): nq ) (ungepaarte Elektronen) paramagnetisch ( Elektron r Proton !) oxy-Hb (Fe – O ): Slide 32 diamagnetisch BOLD inhomogenes Magnetfeld in der Umgebung von deoxy-Hämoglobin Dephasierung Signalreduktion bei FID-Sequenzen ”blood-oxygenation level dependent” (BOLD-) Kontrast Funktionelle MR-Bildgebung Beispiel ”Ruhe” visuelle Stimulation Differenz Slide 33 Aktivierungskarte Aktivierung s Signalverlauf BOLD ”Aktivierung” Sauerstoffverbrauch deoxy-Hb-Konzentration erhöht Gefäßerweiterung: arterieller Zufluß erhöht (sauerstoff-reich) Slide 34 deoxy-Hb-Konzentration sinkt zusätzlich angebotener t zusätzlich verbrauchter Sauerstoff T2 + nimmt zu Konzentration FID-Signal steigt an ! Hintergrund?: u Kap O -Transport Kapillaren – Mitochondrien: Diffusion u Kap t u Mit ”transportierte” Menge: u u ! Kap t'! Mit PSfrag replacements Transport ! u Mit Konzentrationsgefälle Kapillare Mitochondrie T2 * -Kontrast und Suszeptibilitätsartefakte T2 + -Sensitivität BOLD-Kontrast (mikroskopisch) Suszeptibilitäts-Unterschiede (makroskopisch) – Signalauslöschungen – geometrische Verzerrungen (EPI) Slide 35 Reduzierung/Kompensation makroskopischer Inhomogenitäts-Effekte dünne Schichten, Gradientenkompensation; spezielle HF-Anregungen; parallele Aufnahmetechniken alternative Kontrast-Mechanismen (Perfusion, T2, . . . ) Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung Bildgebungsverfahren Slide 36 fMRI Sicherheit Sicherheit Statisches Magnetfeld ferromagnetische Gegenstände (Münzen, Implantate, Splitter, . . . ) magnetisch programmierbare Implantate (Schrittmacher, Defibrillatoren, . . . ) Gradientenfelder Slide 37 Nervenstimulation Erwärmung von Metall und Gewebe (Implantate, Tätowierungen, . . . ) hohe Spannungen in Leiter(schleife)n (EKG, implantierte Elektroden, . . . ) Lärm Hochfrequenz-Feld Gewebeerwärmung
