Grundlagen der MR-Bildgebung

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Kathrin Nele Engel
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1 Grundlagen der MR-ildgebung Jürgen Finsterbusch Slide 1 Klinik für Neurologie, UKE, Hamburg Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung ildgebungsverfahren Slide 2 fmri Sicherheit

2 Kernspinresonanz Nuclear Magnetic Resonance (NMR) eperimenteller Aufbau zeitlicher Ablauf Magnet Spule Slide 3 Probe statisches Magnetfeld Wechselfeld Free Induction Decay (FID) Wechselfeld, Signal Signal Atomkerne mit Eigendrehimpuls (Spin) (statisches) Magnetfeld Sende-/Empfangsspule (senkrecht zum Magnetfeld) hochfrequentes Wechselfeld geeigneter Frequenz induzierte Spannung (Signal) Relaation Quantenmechanik Eigendrehimpuls (Spin) magnetisches Moment sp: 1 H (Wasser, Fett), 3 He, 13 C, 17 O, 23 Na, 31 P, Slide 4 im Magnetfeld: Richtungsquantelung nur bestimmte Ausrichtungen des Spins möglich 1 H: Spin parallel ( ) oder antiparallel ( ) ohne Magnetfeld Präzession : gyromagnetisches Verhältnis mit Magnetfeld =

3 Magnetisierung Thermisches Gleichgewicht Ausrichtungen im Magnetfeld: unterschiedliche Energie Energie Slide 5 PSfrag replacements ohne schwaches starkes Magnetfeld niedrige Energiezustände bevorzugt esetzungszahldifferenz (typisch: :99.999) PSfrag replacements Magnetisierung in Richtung des Magnetfeldes ( longitudinal ) Magnetfeldstärke,, Spindichte, 1/Temperatur M Präzessions-Phase der Spins statistisch verteilt keine Magnetisierung senkrecht zum Magnetfeld ( transversal ) Hochfrequenz-(HF-)Anregung Quantenmechanisch HF-Feld: Energie Slide 6 Anheben von Spins auf ein höheres Energieniveau ( Umklappen ): HF-Feld senkrecht zum Magnetfeld! "# $ #% & ' longitudinale Magnetisierung reduziert gleichphasige Präzession der Spins (Phasenkohärenz) PSfrag replacements transversale Magnetisierung Auslenkung der Magnetisierung Präzession

4 HF-Anregung und rotierendes Koordinatensystem Klassisch Magnetfelder senkrecht zur Magnetisierung: M HF α Kraft auf Magnetisierung HF-Feld: Slide 7 versucht Magnetisierung auszulenken ausgelenkte Magnetisierung präzediert (statisches Magnetfeld): Richtung der Kraft (HF-Feld) muß entsprechend mitrotieren präzedierende Magnetisierung induziert Spannung in Spule NMR-Signal Magnetisierung, M HF α Kippwinkel ( : HF-Amplitude, HF-Dauer rotierendes Koordinatensystem Relaation Rückkehr in Gleichgewichtszustand (eponentiell) Spin-Spin-Wechselwirkung transversale Magnetisierung verschwindet (T2-Relaation) Slide 8 Spin-Gitter-Wechselwirkung longitudinale Magnetisierung wird wieder aufgebaut (T1-Relaation) T1 ) T2 etrag der Magnetisierung nicht konstant! M HF... typische Werte (Gewebe) T1: ms, T2: ms

5 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+ (, OLD-Kontrast T2) (typisch: ms) Spinecho Refokussierung: 90 FID 180 Spinecho Slide 10 HF/Signal TE/2 TE/2 TE: Echozeit T2-Wichtung unempfindlich gegen Magnetfeldinhomogenitäten

6 Kernspinresonanz Zusammenfassung Magnetisierung: esetzungszahldifferenz der Energieniveaus magnetischer Momente Slide 11 Anregung: hochfrequentes Wechselfeld geeigneter Frequenz lenkt die Magnetisierung aus Präzession: die ausgelenkte Magnetisierung präzediert um die Richtung des Magnetfeldes Induktion: die präzedierende Magnetisierung erzeugt eine Spannung in der Spule Relaation: die Magnetisierung kehrt in den Gleichgewichtszustand zurück (N)MR-ildgebung: Ortskodierung Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung ildgebungsverfahren Slide 12 fmri Sicherheit

7 / / / Magnetfeld-Gradient Slide 13 (linear) ortsabhängiges Magnetfeld zusätzlich zum statischen Magnetfeld (.- ) schaltbar in beliebiger Richtung, mit variabler Stärke NMR-Frequenz ortsabhängig, z.. (Gradient in / -Richtung) /9 homogenes Magnetfeld + Gradient (linear) PSfrag replacements PSfrag replacements Änderung der Magnetfeldstärke, nicht -richtung! typisch: : 8 mt, in 0.2 ms Frequenzkodierung Gradient während der : HF/Signal Gradient Slide 14 Frequenz des Signals proportional zur Ortskoordinate in Gradientenrichtung Frequenzanalyse: Fourier-Transformation (FT) FT ; = ω

8 Frequenzkodierung eispiel <=<=<=<=< >=>=>=>=>?=?=?=?=? A=A=A=A=A ==== C=C=C=C=C D=D=D=D=D Slide 15 FT Projektion ω Schichtselektion Gradient während der HF-Anregung α HF/Signal Slide 18 Gradient HF-Pulsform (Einhüllende!) t FT ; ω ω Zeit Frequenz schmaler ereich von Frequenzen in HF-Anregung räumlich selektive HF-Anregung

9 Schichtselektion ω ω Slide 19 Schichtposition: mittlere HF-Frequenz Schichtdicke: Stärke des Gradienten Frequenzbereich ( andbreite ) der HF-Anregung Schichtprofil: HF-Pulsform!FEHGJIKL!F Rechteck: sinc-form (sin 0MEN9NKOE ) t Zeit FT ; ω Frequenz Phasenkodierung Gradient zwischen HF-Anregung und : HF/Signal Slide 20 Gradient unterschiedliche Präzessionsfrequenzen während des Gradienten 3 Gradient 2 1 ortsabhängige Phasenverdrehung proportional zu Gradientenstärke und Dauer

10 Phasenkodierung Doppeldeutigkeit: Gesamtsignal 3 Gradient 1 Slide Doppeldeutigkeit: Phase ( Einfaltung ) 3 Gradient 3 PSfrag replacements PRQMSUTWVNPYX 3 3 Messung mit vielen verschiedenen Gradientenstärken wiederholen Phasenkodierung Phasenkodiergradient mit verschiedenen Amplituden α Slide 22 HF/Signal PSfrag replacements Gradient Gradient L Z\[^] frag replacements Frequenzanalyse

11 k-raum Ortskodierung: Fläche unter dem Gradienten (Amplitude, Dauer) k-raum: _`0UEN9a bdc3e - 4f0MEhgi9=jEhg Frequenz- und Phasenkodierung Slide 23 Frequenz Phase abgedeckter ereich (_ kmln6 ) räumliche Auflösung Abstand der Datenpunkte (!o_ ) Meßfeld Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung ildgebungsverfahren Slide 24 fmri Sicherheit

12 2D-Sequenz Schichtselektion (1) Phasenkodierung (2) mit Frequenzkodierung (3) Slide 25 wiederhole mit verschiedenen Phasenkodierstärken zweidimensionale Fourier-Transformation Rohdaten (etrag) ild (etrag) FT FLASH Sequenzdiagramm α Slide 26 HF/Signal Schicht TE Frequenz Phase Gradientenecho α TR L mal kleiner Kippwinkel ( schnelle Repetition

13 FLASH eispiele: T1-/Fluß-gewichtet T2+ -gewichtet Slide 27 typische Parameter: ( : 10p 30p TR: ms, TE: 5 30 ms Auflösung: 1mm 2 6 s / Schicht Echo-Planare ildgebung (EPI) Phasenkodierung Phase Phase... Slide 28 Sequenzdiagramm (FID-EPI) HF α Schicht Frequenz Phase Single-Shot -Technik Gradientenechos

EPI Slide 29 kurze Meßzeit große Volumenabdeckung unempfindlich gegen ewegung anfällig für Artefakte Frequenz Phase N/2-Geister chemische Verschiebung (Fett!

14 EPI Slide 29 kurze Meßzeit große Volumenabdeckung unempfindlich gegen ewegung anfällig für Artefakte Frequenz Phase N/2-Geister chemische Verschiebung (Fett!) Magnetfeldinhomogenitäten und Suszeptibilitätsdifferenzen: Auslöschungen, geometrische Verzerrungen EPI eispiele: FID-EPI Spinecho-EPI schnelle Spinecho-ildgebung Slide 30 typische Parameter: 1 ms / Echo Auflösung: 2 3 mm mittlere Echozeit: ms 100 ms / Schicht

Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung ildgebungsverfahren Slide 31 fmri Sicherheit OLD-Kontrast Hämoglobin Slide 32 nq aktive Gruppe: Häm (Fe ) deoy-hb (Fe): (ungepaarte Elektronen) paramagnetisch

15 Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung ildgebungsverfahren Slide 31 fmri Sicherheit OLD-Kontrast Hämoglobin Slide 32 nq aktive Gruppe: Häm (Fe ) deoy-hb (Fe): (ungepaarte Elektronen) paramagnetisch ( Elektron r Proton!) oy-hb (Fe O ): diamagnetisch OLD inhomogenes Magnetfeld in der Umgebung von deoy-hämoglobin Dephasierung Signalreduktion bei FID-Sequenzen blood-oygenation level dependent (OLD-) Kontrast

! u u u! u! u Funktionelle MR-ildgebung eispiel Ruhe visuelle Stimulation Differenz Slide 33 Aktivierungskarte Signalverlauf Aktivierung s OLD Aktivierung Sauerstoffverbrauch deoy-hb-konzentration

16 ! u u u! u! u Funktionelle MR-ildgebung eispiel Ruhe visuelle Stimulation Differenz Slide 33 Aktivierungskarte Signalverlauf Aktivierung s OLD Aktivierung Sauerstoffverbrauch deoy-hb-konzentration erhöht Slide 34 Gefäßerweiterung: arterieller Zufluß erhöht (sauerstoff-reich) deoy-hb-konzentration sinkt zusätzlich angebotener t T2+ nimmt zu Hintergrund?: FID-Signal steigt an zusätzlich verbrauchter Sauerstoff Konzentration Kap O -Transport Kapillaren Mitochondrien: Diffusion u Kap t Mit transportierte Menge: Kap t'! Mit PSfrag replacements Konzentrationsgefälle Kapillare Transport Mit Mitochondrie

T2* -Kontrast und Suszeptibilitätsartefakte T2+ -Sensitivität OLD-Kontrast (mikroskopisch) Suszeptibilitäts-Unterschiede (makroskopisch) Signalauslöschungen Slide 35 geometrische Verzerrungen (EPI)

17 T2* -Kontrast und Suszeptibilitätsartefakte T2+ -Sensitivität OLD-Kontrast (mikroskopisch) Suszeptibilitäts-Unterschiede (makroskopisch) Signalauslöschungen Slide 35 geometrische Verzerrungen (EPI) Reduzierung/Kompensation makroskopischer Inhomogenitäts-Effekte dünne Schichten, Gradientenkompensation; spezielle HF-Anregungen; parallele Aufnahmetechniken alternative Kontrast-Mechanismen (Perfusion, T2,... ) Übersicht Kernspinresonanz Ortskodierung ildgebungsverfahren Slide 36 fmri Sicherheit

18 Sicherheit Statisches Magnetfeld ferromagnetische Gegenstände (Münzen, Implantate, Splitter,... ) magnetisch programmierbare Implantate (Schrittmacher, Defibrillatoren,... ) Slide 37 Gradientenfelder Nervenstimulation Erwärmung von Metall und Gewebe (Implantate, Tätowierungen,... ) hohe Spannungen in Leiter(schleife)n (EKG, implantierte Elektroden,... ) Lärm Hochfrequenz-Feld Gewebeerwärmung

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