IF NW Magnet-Resonanz-Tomografie Magnetic Resonance Imaging

IF NW
Magnetresonanztomografie
Magnet-Resonanz-Tomografie
MRT
auch Kernspintomografie (KST, selten)
Magnetic Resonance Imaging
MRI
engl. Begriff für MRT
Nuclear Magnetic Resonance
NMR
chemische Analysentechnik, Grundlage für MRT
Geschichte der MRT
~1800
~1900
1952
1974
1984
1991
2003
Mathematische Grundlagen zu MRT von Jean-Baptiste Fourier
Grundlagen der Physik zum MRT von Nikola Tesla
Nobelpreis für Felix Bloch und Edward Mills Purcell (Kernspinresonanzspektroskopie)
Erste Abbildung eines Tumors beim Tier
praktische Verfügbarkeit des MRTs für Humanmedizin
Nobelpreis für Richard Ernst (ETH) (hochauflösende Kernresonanzspektroskopie 60er))
Nobelpreis für Paul Lauterbur und Peter Mansfield (Med: Bildgebung durch Magn.Resonanz um 1970)
Physikalische Grundlagen
Um die MRT zu verstehen, muss ein modernes Atommodell verwendet werden. Atomkerne werden
darin als positiv geladene, rotierende Kreisel betrachtet. Dies führt zu einem magnetischen Moment,
dessen Betrag typisch für die betrachtete Atomsorte ist. Für die MRT sind vor allem die 1H-Kerne
interessant.
Präzession in Larmor-Frequenz und Phasenkohärenz
Wird nun so ein positiv geladener 1H-KernKreisel in ein äusseres Magnetfeld gegeben,
wird er sich in diesem Feld ausrichten und
kurzzeitig synchronisiert:
Die vielen 1H-Kerne ergeben eine zusätzliche
Magnetisierung in Richtung des Feldes B1.
Wird nun Energie mit der passenden Resonanzfrequenz eingestrahlt, können die 1H-Kern-Kreisel
„umgeklappt“ werden. Die Resonanzfrequenz für 1H-Kerne ist abhängig von der magnetischen
Flussdichte und berechnet sich als f =  ∙ B
mit  = 42.57 MHz/T ( heisst gyromagnetisches Moment,  ist eine Stoffkonstante).
Berechne die Resonanzfrequenz für 1H-Kerne in einem Magnetfeld von 1.5 Tesla (typ. MRT).
Welche magnetische Flussdichte wird für 1H-NMR-Messungen bei 400 MHz Resonanzfrequenz
eingesetzt?
MRI-1
IF NW
Falls ein zweites (Mess-) Magnetfeld B2 rechtwinklig zu B1 vorhanden ist, wird dieses durch die
nun anders orientierten Kreisel gestört. Die zur Aufrechterhaltung des Magnetfelds B2 benötigte
Spannung U1 ändert sich deshalb. Dynamo!
Sobald die Energiezufuhr stoppt, richten sich die drehenden Kreisel wieder zum ursprünglichen
äusseren Magnetfeld B1 aus. Die Störung der Spannung U2 nimmt ab und wird als Messsignal
erfasst.
Die Frequenz der Kreiselbewegung hängt vor allem von der elektronischen Umgebung des
betrachteten 1H-Kern-Kreisels ab.
In den ersten Geräten wurde die Frequenz zur Störung der kreiselnden Protonen schrittweise erhöht
und jeweils die Spannungsänderung gemessen. Diese Methode war sehr zeitintensiv. Heutige
Fourier-Transformations-Spektrometer können alle Frequenzen für eine Kernsorte gleichzeitig
anregen und die Spannungsänderung wird mathematisch in die Beiträge der verschiedenen
Frequenzen aufgeteilt. Dies ermöglicht sehr kurze Messzeiten.
1
H-NMR-Spektroskopie
Die NMR-Spektroskopie ist heute aus der
Strukturbestimmung von Molekülen nicht
mehr wegzudenken. Experten können mit
Hilfe der NMR-Spektren auf die Struktur des
Moleküls schliessen.
Zeichne das Ethanolmolekül als Lewisformel.
Chem Verschiebung als Skala
MRI-2
IF NW
Aufbau des MRT
Das Gerät muss möglichst von äusseren Störeinflüssen abgeschirmt werden, damit die
Empfindlichkeit der Messungen hoch bleibt. Das Hauptmagnetfeld hat eine magnetische
Flussdichte von 1.5 bis 3 Tesla und wird von einem supraleitenden Magneten erstellt, der mit
Helium (l) und Stickstoff (l) gekühlt wird. Die übrigen Magnetfelder werden elektrisch erzeugt.
Untersuchugnstisch und schneller Rechner!! ,
Von 1D (NMR) nach 3D (MRT)
Um eine räumliche Auflösung zu erhalten, überlagert man dem B1-Feld zusätzliche B3-Felder,
welche in x-, y- und z-Richtung inhomogen sind. Dies ändert ortsabhängig die B-Feldstärke und
somit die eingestrahlte Radiofrequenz. Diese ein/aus-Schaltungen machen das laute Knacken und
Klicken bei der MRT-Messung aus.
Die Messsignale werden in Abhängigkeit der B3-Felder (Ortsabhängigkeit) vom Computer in
Schnittebenen oder eine 3-dimensionale Darstellung verarbeitet.
Graustufen in MRT-Bildern
Bei der MRT werden 1H-Kern-Kreisel angeregt. Diese kommen im Körper praktisch überall vor.
Verschiedene Gewebearten unterscheiden sich in der Dichte (Häufigkeit) und der Umgebung der
1
H-Kern-Kreisel. Somit kehren die Kreisel während unterschiedlichen Zeiten in ihren Grundzustand
zurück (T1 und T2).
Bei Bo = 1.5 T
Skelettmuskel
Leber
Niere
Fett
Liquor
Lunge
T1 (ms)
870
490
650
260
>4000
830
T2 (ms)
47
43
58
84
>2000
79
MRI-3
IF NW
T1-Gewichtung: Repetitionen der Anregungspulse in kurzer Zeitfolge (<600 ms)
Flüssigkeiten dunkel // Fett und hoher Proteingehalt: hell, /// Blut nur mit Gd-Kontrastmittel (verkürzt T1)
T2-Gewichtung: Längere Wartezeit zwischen Anregung und Messung (> 60 ms) Phase!!!
Flüssigkeiten hell, Gewebe dunkel
Mit den heute möglichen hohen Magnetfeldern und schnellen Rechnern können Echtzeit-MRTAufnahmen vom schlagenden Herzen gemacht werden.
Wegen ihrer Komplexität müssen MRT-Bilder von ausgebildeten Radiologen beurteilt werden!
Artefakte möglich
Vorteile des MRT (evtl. im Vergleich zur Röntgen-Tomographie, Ultraschalluntersuchung)
Nicht invasiv
Weichteile können abgebildet und sogar unterschieden werden vgl T1, T2)
Keine energiereichen, schädigenden Strahlungen
Schnittbilder in Sekundenbruchteilen: Echtzeit-MRT)
Während Operationen möglich (vgl. Nachteile: Metall, elektr. Geräte, etc)
Besser verständliche Bilder als US
Nachteile des MRT / Gesundheitsgefährdungen / kein MRT bei…
Teuer in Anschaffung und Unterhalt (Kühlung und Strom)
Unklar, ob hohe Magnetfelder den Menschen doch nicht schädigen
Experten für Auswertung nötig
Bilderwahn zur Amortisierung des Geräts
Laut, Platzangst in der Röhre
Nebenwirkungen der Gd-Kontrastmitttel Gd(III)-Komplexe, ,Allergien
Sicherer Raum: kein Metall, keine Kreditkarten
10-fach besserer Kontarast als CT
Zeitaufwändiger Zeit: 15-30 Minuten pro scan als Röntgen, CT deshalb auch teurer. (4x als CT, 10x als Xray
Kein MRT, ,wenn…..
Metallimplantate, Zahnspangen, (Erwärmung , Bildstörungen durch Metalle!)
Herzschrittmacher (nein, nur Spezialgeräte), Metallsplitter: nein! Schwangerschaft 1.-13. Woche
Insulinpumpen, Cochleaiplantate
Tätowierungen mit metallischen Farbpigmenten (wenn gross -> Verbrennungen)
Piercings
MRI-4