Magnetresonanztherapie Bildkonstrast - Protonendichte p - Spin-Gitter-Relaxationszeit T1 - Spin-Spin-Relaxationszeit T2

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1 Bildkonstrast - Protonendichte p - Spin-Gitter-Relaxationszeit T1 - Spin-Spin-Relaxationszeit T2 Magnetisches Moment von Protonen - µ = y * h * m(i) (m = magn. Quantenzahl, y = gyromag. Verhältnis) - m(i) -> I = ½ -> 2 Spinzustände bei Wasserstoffkern Spinquantenanzahl - gg (I=0), gu (I=x*½), uu (I=x*1), ug (I=x*½) - Protonen Neutronen; geradzahlig, ungeradzahlig Relative Empfindlichkeit: - Maß für die Signalausbeute (H -> 1) Spins: - Wasserstoffatom richtet sich schräg im Raum aus (hat Eigendrehimpuls) - Eiert mit Lamorfrequenz/Präzisionsfrequenz = 2 * pi * f = y * B um die Z-Achse (Larmorpräzession genannt) Kernspinresonanz - Kern hat Spin -> absorbiert und emittiert elek-mag Wechelfeld in konstantem Wechselfeld -> Spin ändert Orientirung zum Magnetfeld -> Änderung mit Larmorfrequenz - Energiezufuhr klappt jeden zweiten Spin um -> 90 -Impuls T1-Relaxation: - Spin-Gitter-Relaxation / Longitudinalrelaxation - Die Zeitspanne bis die ursprüngliche Longitudinalmagnetisierung erreicht ist - Ausrichtung nach Zerfallsgesetz - Störfelder auf die Momente der Kerne durch benachbarte Atome - Magnetisierung richtet sich entlang der z-achse aus - Energie der Kerne geht über die Atome ins Gitter (Gitter = benachbarte Atome) T2-Relaxation - Spin-Spin-Relaxation / Transversale Relaxation - Zeitspanne die die Transversalmagnetisierung braucht, um wieder bis zu einem bestimmten Wert abzunehmen - Ausrichtung nach Zerfallsgesetz - Auffächern des Magnetfeldes durch Verlust der Phasenkohärenz - Austausch zwischen Protonen T2*-Relaxation: - abh. von Magnetfeldinhomogenitäten Messeffekt: - Induktion einer Wechselspannun mit der Larmorfrequenz Bloch-Gleichung - = Bewegungsgleichung eines mag. Moments + T1-Relaxation + T2-Relaxation Problem - T2 sehr schnell -> Reperatur der Dephasierung -> Rephasierung (180 -Flip) - Ausgangsniveau wird nicht mehr erreicht (Fluktuation, Gewebe, Ungenauigkeiten Mfelds) S e i t e 1 5

2 Ablauf einer Messung: 1. RF-Puls 2. T2-Relaxation (stark) und T1-Relaxation (etwas) 3. Phasenrefokussierung (teilweise) 4. T1-Relaxation (etwas) 5. Evtl. Zerstörung restlicher Nettomagnetisierung in xy-ebene -> Spoiling Repetitionszeit T_r (Bildwichtung) - T1 abhängig - Auch PD-gewichtet - Kurz -> weiße Hirnsubstanz; Lang -> graue Hinrsubstanz Echozeit T_e (Bildwichtung) - T2 abhängig - Kurz -> graue Hirnsubstanz; Lang -> weiße Hirnsubstanz Doppelecho: - Zwei untersch. T2-Wichtungen mit einer Messung Bildwichtung - T1-Wichtung: T_r kurz; T_e kurz - T2-Wichtung: T_r lang; T_e lang - P-Wichtung: T_r lang; T_e kurz Ergebnis: - Ergebnis einer solchen Messung ist noch kein Bild, sondern ein Signal -> Ortskodierung erforderlich! - Larmorfrequenz ortsabhängig machen! -> Magnetfeld ortsabhängig machen o während Anregung (z) o während Signalgewinnung (x) o dazwischen (y) Schichtselektion - drei Achsen -> drei Gradienten für Ortsauflösung -> drei Gradientenspulen (Schichtselektion z, Frequenzkodierung x,, Phasenkodierung y) - oben unten -> Impuls - M-Feld linear ortsabhängig (Anregung) o RF-Impuls mit Frequenz und Bandbreite o Frequenz: Lage o Bandbreite: Breite - Vorne hinten -> Impuls - M-Feld linear ortsabhängig (Signalgewinnung) o Aus Relaxation resultierende HF-Frequenz wird verändert o Empfangene Frequenz abh. der Lage -> Frequenz-zu-Ort-Dekodierung (Fourier) o Präzessionsfrequenz wird Funktion des Ortes - Links-rechts (Phasenkodierung) (dazwischen) -> Puls M-Feld linear ortsabhängig o Spins werden Phasenverschoben o Phasenlage des Spins abh. von Lage -> Phasenlage-zu-Ort-Dekodierung (Fourier) o Für Unterscheidung von n Orten sind n Messungen notwendig S e i t e 2 5

3 k-raum - n*m Matrix (n = Messpunkte pro Zeile, m = versch. Stärken der Phasenkodier-Gradienten) - Lage eines Messwertes in dieser Matrix abh. der induzierten Spannung zur Zeit t - DFT -> Ergebnis ist periodisch -> Überlagerungen möglich Verbesserungen bei k-raum Berechnung - Warum überhaupt? o Messzeit proportional zu der Anzahl der Zeilen (Anzahl der Anregungen/RF-Pulse) - Stärkste Gradienten weglassen - Knappe Hälfte weglassen - Nur jeden n-ten Schritt MRT Spinecho-Mehrschicht-Sequenz - Zwischen zwei Sequenzen gleicher Radio-Frequenz andere Schicht mit anderer Radio- Frequenz messen MRT Turbo-Prinzip - Ähnlich zum Doppelecho - Funktioniert trotz untersch. Echozeiten - Verlust an Auflösung Ernst-Winkel - Kleinerer Flip-Winkel -> führt zu besserer Magnetisierung - Mehr Repetitionen pro Zeiteinheit -> hohe Zeitauflösung Echo Planar Imaging - Schneller - Auslesegradient alternierend, Phasencodiergradient aufsummierend - Verheerende Artefakt-Anfälligkeit Schädigende Effekte bei Kernspintomographie - Statisches M-Feld -> Anziehung - Zeitl. veränderliches M-Feld (Gradienten) -> Spannungsinduktion - HF-Feld -> thermische Wirkungen, Schlafverhalten, Ca-Fluss (beides nicht geklärt) Pro: - Großer Kontrast innerhalb der Weichteile, gut für Organe - Wiederholbar - Flussquantifizierung in Gefäßen mittels Kontrastmittel - Gut für Organe Con: - Lange Dauer - Sclhechter Zugang - HF, M-Feld - Teuer, laut - Klaustrophobie S e i t e 3 5

4 Kontrastmittel: - T1: o Paramagnetsiche Kontrastmittel o beschleunigte Energieübertragung zw. Protonen und Umgebung o Verkürzte T2-Relaxatinszeit o Signalzunahme in T1-gewichteten Sequenzen - T2 o Paramagnetische Kontrastmittel o Beschleunigte Dephasierung o Verkürzte T2-Relaxationszeit o Signalverlust in T2-gewichteten Sequenzen - T2* o Paramagnetische o Superparamagnetische Verkürzte T2*-Relaxationszeit Starker Signalverlust in T2*-gewichteten Sequenzen -> Signalverlust ist gewollt -> Weichteile werden nicht mehr dargestellt aber KM S e i t e 4 5

5 Funktionelle Bildgebung - Darstellung physiologishcer Parameter als Bild Anwendung - Aktivierung von Hirnarealen - Geschwindigkeit der KM-Aufnahme - Verteilung von Stoffwechselprodukten Gut weil wiederholbar! MR-Angiographie - MR-Time-of-Flight (mit Kontrastmittel) -> Sättingungsunterschied entscheidend o Zeitaufgelöst möglich o Maximum Intensity Projection (Quasi-3D) o mit Schrittverschiebung - Phase-Contrast -> Phasendifferenz durch Bewegung entscheidend o Quantitative Bewertung Diffunsionswichtung - Rephasierung ist stochastisch -> Weitere Gradienten zur Diffusions-Sensibilisierung in einer Raumrichtung - Richtung des größten Diffusionskoeffizienten spiegelt den Verlauf der Nervenfasern wider - Fibre-Tracking (Erkennung von Nervenbahnen) fmri - Hirnaktiviät -> erhöhter Sauerstoff -> erhöte Blutzufuhr -> Abnahme von Desoxy-Hämoglogin (wirkt wie KM) -> in T2*-gewichteter Sequenz -> Abnahme der Signalverminderung -> Zunahme der Signalintensität - Kleiner Messeffekt, hoher Aufwand In-vivo-NMR-Spektroskopie - Messung von Metaboliten-Konzentrationen in verschiedenen Geweben - Bestimmung der Konzentration ausgewählter Moleküle Chemical Shift Imaging - Ortsaufgelöste Spektroskopie mit Volumenanregung Zusammefassung Kernspintomographie - Vielzahl kontrastbestimmender Parameter - Funktionelle Informationen - Molekulare Informationen S e i t e 5 5