15. mri 10. 12

Magnetismus
Magnetresonanztomographie (MRI)
Magnetismus ist eine fundamentale Eigenschaft der
Materie.
Magnetfeld
N
Feldlinien
Abstossung
Einheit: Tesla (T)
(1 Tesla = 10 000 Gauss)
Dipol
Anziehung
(H)
magnetische Flussdichte
(„Feldstärke”), (B)
S
Magnetische
Wechselwirkung
magnetische Feldstärke
Erdmagnetismus
BErde ≈ 20 µT
Magnetische Eigenschaften der Materie
Elektromagneten
Magnetische Suszeptibilität χ m ist ist eine
Materialeigenschaft (lat. susceptibilis „Übernahmefähigkeit“),
welche die Fähigkeit der Magnetisierung in einem externen
Magnetfeld angibt.
Stromdurchflossene Spule:
M = χm H
B
Sie ist eine Proportionalitätskonstante, das Verhältnis von
Magnetisierung M zu magnetischer Feldstärke H.
homogenes
Feld
Diamagnetische Materialien
haben das Bestreben, das
Magnetfeld aus ihrem Innern zu
verdrängen. Sie magnetisieren
sich gegen die Richtung eines
externen Magnetfeldes, folglich
ist die Suszeptibilität negativ.
Der Wertebereich geht von −1 bis unendlich, wobei negative
Werte eine Magnetisierung entgegen dem äusseren
Magnetfeld bedeuten.
magnetische Merkmale
der Elektronenhülle und des Atomkerns
analytische Methoden (keine räumliche Auflösung)
Dia−, χ m < 0
Paramagnetische Materialien
magnetisieren sich in einem
externen Magnetfeld so, dass
sie das Magnetfeld in ihrem
Innern effektiv verstärken.
Para−, χ m > 0
Ferromagnetische Materialien
haben magnetische Ordnung.
Ferro−, χ m >> 0
paramagnetische Resonanz oder
Elektronenspin-Resonanz
Kernspinresonanz oder
Magnetresonanz
Electron Paramagnetic Resonance,
EPR oder
Electron Spin Resonance, ESR
Nuclear Magnetic
Resonance, NMR
räumliche Auflösung
Magnetresonanztomographie (MRT),
Kernspintomographie
Magnetic Resonance
Imaging, MRI
Der Spin:
der Eigendrehimpuls des Elementarteilchens,
eine der prinzipiellen physikalischen Eigenschaften des
Teilchens (z. B. Masse, elektrische Ladung, Dimensionen)
jeder Kern mit ungerader Massenzahl hat einen Kernspin
das Spinmoment (=Eigendrehimpuls, bezeichnet mit L) ist
gequantelt:
L = I (I + 1)
Kreiselmodell
h
,
2π
I: resultierende Kernspin-Quantenzahl
A und Z gerade (z.B. 168O oder 126C):
N
S
Magneten im Körper
Nukleonen (Protonen und Neutronen) besitzen
Eigendrehimpuls (Spin) und magnetisches Dipolmoment.
Wenn die Anzahl der Protonen und/oder Neutronen in
einem Atomkern ungerade ist, dann besitzt der Atomkern
auch magnetisches Dipolmoment.
z.B. 1H, 13C, 15N, 19F, 23Na, 31P, ...
A gerade, Z ungerade (z.B. 21H):
I=0
I=1
(ganze Zahl)
A ungerade (Z gerade oder ungerade)
(z.B. 11H oder 136C):
I=½
(ein ungerades Vielfaches von ½)
Atomkerne mit magnetischem
Moment ohne ausseres Magnetfeld.
Die unausgerichteten magnetischen
Dipole der einezelnen Kernspins
neutralisieren sich.
Atomkerne mit magnetischem Moment
mit äusserem Magnetfeld. Unter
Einwirkung des Feldes B0 richten sich
die magnetisce Dipole parallel oder
antiparallel aus.
Die parallele Ausrichtung wird, da
energieärmer, etwas häufiger
eingenommen und bewirkt so eine
Nettomagnetisierung M.
Präzession
Grunderscheinungen: Ordnung
Atomkern in Magnetfeld. Wie ein
rotierender Kreisel zu taumeln
beginnt, wenn er angestossen
wird, führen Protonen in
Magnetfeld dieselbe Art von
Bewegung aus. Sie wird als
Präzession bezeichnet.
Präzession ist eine periodische
Bewegung:
B0
Längsmagnetisierung
Ordnung durch ein
äusseres Magnetfeld
Energiezustände
antiparallel
∆E =
Larmor-Frequenz
parallel
f0 = γ B0 ,
γ : gyromagnet ische Konstante
Grunderscheinungen: Anregung
B
z.B.:
Boltzmann-Verteilung!
h
γ B0
2π
B≈1T
∆E ≈ 3 ·10–26 J
Grunderscheinungen: Relaxation
B
B
B
spontan
∆E
Anregung
Relaxation
Quermagnetisierung
kurzzeitige (~ 3 ms)
Bestrahlung mit
Radiowellen (fR)
Resonanzabsorption
f0 = fR
∆E = h ⋅ f
z.B.:
fR ≈ 45 MHz (Radiofrequenz)
λ ≈ 6,6 m (Kurzwellen)
Zeitlicher Ablauf der
Relaxation:
Emission
HF-Radiowellen
Intensität (I)
I
Relaxationszeit (τ)
t
Messung der Nettomagnetisierung
(Relaxationssignal)
T1 Relaxation: expontentielle Zunahme der LängsMagnetisierung nach Abschalten des Radiofeldes
(vgl. Aufladungsvorgang im RC-Kreis)
T2 Relaxation: Abnahme der Quermagnetisierung,
Dephasierung (vgl. Entladungsvorgang im RC-Kreis)
Gewebedarstellung: Protonendichte Wichtung
T1-Wichtung, T2-Wichtung
T1-gewichtet
T2-gewichtet
Signalreich
Fett
Liquor, Ödeme, Flüössigkeit
Intermediär
Knochenmark, Fett, Knochenmark
Muskulatur
Signalarm
Liquor, Ödeme, Muskulatur, Verkalkungen
Flüssigkeit
Messprinzip der MRI
] HF-Radiowellen sind emittiert vom Körper nach
kurzzeitiger Anregung. I und t der Strahlung werden
gemessen.
] Die emittierte Intensität (I) ist proportional zur
Protonenkonzentration.
] Die Relaxationszeit (τ) ist charakteristisch für die
Struktur der Umgebung.
Bei der Bildherstellung sind die räumliche
Verteilung von I und t kombiniert benutzt.
MRI Bilder
Technik der MRI
B
Geschichte der MRI
] Körper im starken Magnetfeld
(Gradientenfeld mit Elektromagnet)
x
Resonanz
] Anregung von Protonen durch
kurzzeitige Bestrahlung mit Radiowellen
Resonanzabsorption nur bei einem Querschnitt
in einer kleinen Volumeneinheit
] Emission von Protonen bei Relaxation wird gemessen mit einer
Empfängerspule
I und τ werden bestimmt
1946, Felix Bloch und Edward
Purcell: Atomkerne absorbieren
und emittieren HF-Radiowellen
1952: Nobel-Preis
Bloch
] 1971: erste Tumor-Lokalisation
] 1973: NMR ist empfohlen für Abbildung
] 1977: erster klinische MRI-Scanner ist patentiert
] Wiederholung der Schritte 2 und 3 für weitere Volumeneinheiten in dem
Querschnitt — Abtasten
] 1990: Entdeckung des BOLD-Effektes
(blood oxygen level dependent signal)
] Bildherstellung des Querschnittes
] 1992: erste fMRI-Bilder
Vorteile und Nachteile der MRI
Vorteile
] keine Schädigung
] gute Ortsauflösung
] gute Gewebskontraste
Nachteile
] teuer
] eventuell KlaustrophobieSymptome
Das Gerät
4T Magnet
RF-Spule
Gradientenspule
(innen)
Purcell
Magneten
Supraleitender Magnet
(Luftspule)
Vorsicht!
starkes Magnetfeld!
keine ferromagnetische
Materialien
fMRI — funktionale Kernspintomographie
Oxyhämoglobin
und
Deoxyhämoglobin
haben
unterschiedliche
magnetische
Eigenschaften:
Oxyhämoglobin: diamagnetische Eigenschaften
Deoxyhämoglobin: paramagnetische Eigenschaften
fMRI-Bild
projiziert auf ein
anatomisches
MRI-Bild