MRT-GRUNDLAGEN. Dr. Felix Breuer. 64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum, Fürth, Fraunhofer

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1 MRT-GRUNDLAGEN Dr. Felix Breuer 64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum, Fürth, Fraunhofer

2 INHALT NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Grundlagen Signalentstehung/Detektion NMR Bildgebung Schichtselektion Räumliche Kodierung 2D/3D Sequenztypen Kontraste Relaxationszeiten Sequenzparameter Beispielanwendungen Fraunhofer 2

3 WAS WIRD BENÖTIGT? Kernspins (Protonen, H) / Magnetisches Moment Mensch besteht zu ca 65% H 2 0, ~10 24 Sehr starkes, statisches, möglichst homogenes Magnetfeld (B0-Feld) / Magnetisierung Klinisch: 1.5 7T Elektromagnetisches (HF) Wechselfeld (B1-Feld) / Signalanregung HF Spule / Senkrecht auf B0 Magnetfeldgradienten / Signalmodulation In alle Raumrichtungen Empfänger / Signaldetektion HF Spule(n) Computer / Signalverabeitung Fraunhofer 3

4 KERNSPINS IM MAGNETFELD Das magnetische Moment eines Spins präzediert um die Achse des angelegten statischen Magnetfeldes. Analog: Kreisel im Schwerefeld der Erde Ein Spin B 0 0 e 0 = g B 0 Magnetisches Moment g gyromagnetisches Verhältnis g H 58 MHz/Tesla g gyromagnetisches Verhältnis g H 58 MHz/Tesla Fraunhofer 4

5 KERNSPINS IM MAGNETFELD Makroskopische Magnetisierung entlang B 0 (vereinfacht) Ein (Kern-) Spin (Proton) Viele Spins B 0 B e 0 = g B 0 M i i M 0 B T 0 g gyromagnetisches Verhältnis g H 58 MHz/Tesla Fraunhofer 5

6 NMR - ANREGUNG Resonanzprinzip & HF-Feld B 0 Elektromagnetisches Wechselfeld für 0.5-2ms HF-Spule Transmitter B 1 Drehimpulserhaltung: Magnetisierung wird in die transversalebene ausgelenkt 0 = g B 0 Fraunhofer 6

7 SIGNAL DETEKTION Physikalisches Prinzip: Faraday sches Induktionsgesetz Änderung des Magnetischen Flusses induziert Spannung in einer Spule (Messsignal) HF-Spule Empfänger HF-Welle mit Larmorfrequenz Fraunhofer 7

8 EIN EXPERIMENT AUS DER SCHULE Faraday sches Induktionsgesetz Oszilloskop Spule Magnet Induktionssignal: hier: Das Signal zerfällt mit der Zeit aufgrund von Reibung In der NMR: Aufgrund von Relaxationsprozessen Fraunhofer 8

9 NACH ANREGUNG: SIGNALABFALL (T2* RELAXATION) T 2 : Spindephasierung aufgrund von WW zwischen Spins Gewebespezifisch, irreversibel T 2 *: zusätzliche Dephasierung aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten reversibel mittels Spinecho M M (t) = M 0 e t T 2 T 2 * T 2 T 1 * 2 1 T 2 g B B = Magnetfeldinhomogenitäten Fraunhofer 9

10 T2* RELAXATION T 2 *: Magnetfeldinhomogenitäten verursachen Signalauslöschung. mit Metallclip Fraunhofer 10

11 SPINECHO T 2 T 2 Zeit t TE/2 TE TE/2 System rotiert mit ω 0 g ( B0 B) g B 0 Fraunhofer 11

12 T2* RELAXATION T 2 *: Magnetfeldinhomogenitäten verursachen Signalauslöschung. mit Metallclip Ohne Metallclip (mit SpinEcho) Fraunhofer 12

13 ZUSÄTZLICH ZU T2: T1 - RELAXATION T1: Rückkehr der Magnetisierung ins Thermische Gleichgewicht (Spin Gitter WW) Fraunhofer 13

14 ZWISCHENSTAND Kernspins im statischen Magnetfeld erzeugen Magnetisierung Auslenkung der Magnetisierung aus B-Feld Richtung mittels HF- Anregung und Präzession/Rotation um Magnetfeldachse Signalempfang mittels eines HF-Empfängers über magnetische Induktion Signal relaxiert mit T1/T2(*) Aber: Gemessenes Zeit-Signal kommt von überall aus der Probe? Fraunhofer 14

15 ORTSKODIERUNG: Larmorfrequenz ortsabhängig Machen: Magnetfeldgradienten!! ( z) g B0 G z z Paul Lauterbur Nobelpreis für Medizin: Fraunhofer 15

16 SPINS IM HOMOGENEN MAGNETFELD Larmorfrequenz: B g B 0 0 B 0 0 Ort z Fraunhofer 16

17 SPINS & MAGNETFELDGRADIENTEN Larmorfrequenz: B ( z) g B0 G z z B 0 0 Ort z Fraunhofer 17

18 SCHICHTAUSWAHL Anregungspuls (B1-Feld) & Magnetfeldgradient HF Zeit t 0 off Frequenz B G z B 0 z Zeit t 0 Ort z ( z) g B0 G z z Fraunhofer 20

19 SCHICHTAUSWAHL Anregungspuls (B1-Feld) & Magnetfeldgradient HF Zeit t 0 off Frequenz G z z Zeit t 0 Ort z z 0 Ort t Fraunhofer 21

20 SCHICHTFÜHRUNG Axial Coronal Sagittal Fraunhofer 22

21 ORTSKODIERUNG Von der Schichtauswahl zum Schnittbild? Fraunhofer 23

22 ORTSKODIERUNG Keine direkte Messung möglich Umweg über k-raum Objekt k-raum Messdaten BILD MRT 2D IFT HF-Pulse & Gradientenschaltungen Frequenzanalyse am Computer K-Raum: NMR-Signal moduliert mit Gradientenschaltungen in alle (hier 2D) Raumrichtungen Fraunhofer 24

23 Phasenkodierung K-RAUM DAS PRINZIP 2D Ablaufen des k-raums mit Magnetfeldgradienten Schichtauswahl MRT Sequenz Signalakquisition k y k-raum HF G z G y G x Phasenkodierung Frequenzkodierung Frequenzkodierung k x Fraunhofer 25

24 K-RAUM DAS PRINZIP 3D Ablaufen des k-raums mit Magnetfeldgradienten MRT Sequenz Volumenauswahl Signalakquisition HF G z G y G x Phasenkodierung Frequenzkodierung Fraunhofer 26

25 K-RAUM DAS PRINZIP 3D Ablaufen des k-raums mit Magnetfeldgradienten MRT Sequenz Volumenauswahl Signalakquisition HF G z G y G x Phasenkodierung Frequenzkodierung Fraunhofer 27

26 SEQUENZPARAMETER Meßzeit - Relaxation Kontrast TR T = N TR 90 TE HF G z G y G x Fraunhofer 29

27 SEQUENZPARAMETER Meßzeit - Relaxation Kontrast TR T = N TR 90 TE HF G z G y G x Fraunhofer 30

28 SEQUENZPARAMETER Messzeit - Relaxation Kontrast Während TR: Magnetiserung relaxiert mit T1 Nach Anregung, Rückkehr in den Ursprungszustand 90 TR T1 S(TR) = M 0 1 e Während TE: Magnetisierung relaxiert mit T2(*) Nach Anregung: Meßsignal geht verloren (Signal dephasiert) 90 TE T2( ) S(TE) = S 0 e Fraunhofer 31

29 KONSEQUENZ VON RELAXATION Kontrast Generierung (nativ) SD-Kontrast T1-Kontrast T2-Kontrast Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert Limitationen (Ultra-) kurze T2 -Relaxation: sehr schneller Signalabfall Festkörper, Zähne, Knochen, Bänder, Knorpel, Lunge, T2(*)<1-2ms Lange T1-Relaxation: (0.5-5s) Signalsättigung, lange Messzeiten Fraunhofer 36

30 KONSEQUENZ VON RELAXATION Kontrast Generierung (nach Kontrastmittel) SD-Kontrast T1-Kontrast T2-Kontrast Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert Limitationen (Ultra-) Kurze T2 -Relaxation: sehr schneller Signalabfall Festkörper (Zähne, Knochen, Bänder, Knorpel, T2<<1-2ms) Lange T1-Relaxation: Signalsättigung, lange Messzeiten Fraunhofer 37

31 MRT AN LEBENSMITTELN Pfirsich Lagerschaden Salami Wasser Fett Fraunhofer 38

32 ZEITAUFGELÖSTE MR-BILDGEBUNG Reifeprüfung (Beispiel: Ananas) Unreif Reif Quelle: Heshal Smith Laboratory, England Fraunhofer 39

33 DIFFUSIONSPROZESSE Beispiel: Eindringen von Wasser in Haut Auftragen von Gel Ohne Gel Mit Gel Fraunhofer 40

34 Statisches Wasser Fließendes Wasser GESCHWINDIGKEITSMESSUNG Quantitative Geschwindigkeitsmessung Messaufbau Geschwindigkeitsverteilung Fraunhofer 41

35 GESCHWINDIGKEITSMESSUNG Quantitative Geschwindigkeitsmessung Cartridge-Filter Quantitatives Flussbild Quelle: Heshal Smith Laboratory, England Fraunhofer 42

36 GESCHWINDIGKEITSMESSUNG Darstellung von Transportphänomenen Konvektionszellen bei Erwärmung Fraunhofer 43

37 MRT AN KUNSTSTOFFEN Konventionell unsichtbar Aber: Sichtbar mit speziellen Messmethoden (UTE/zTE) Fraunhofer 44

38 ZUSAMMENFASSUNG NMR Signal Homogenes statisches starkes Magnetfeld (B0-Feld 1,5T 7T ) HF Anregung (B1-Wechselfeld Larmorfrequenz) Empfang über magnetische Induktion (Larmorfrequenz) Ortskodierung & Schichtselektion Magnetfeldgradienten (Kodierung mittels Frequenz/Phase) Bildkontrast Spindichte & Relaxationszeiten (SD,T1,T2,T2*) Sequenz / Sequenzparameter (SE/GE TE/TR) Darstellung von Morphologie und Funktion Medizinische Anwendungen Industrielle Anwendungen Fraunhofer 48

39 DANKE Literatur: Wie funktioniert MRI? Eine Einführung in Physik und Funktionsweise der Magnetresonanzbildgebung, Borut Marincek, Victor D. Köchli, Dominik Weishaupt Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, 2nd Edition: Robert W. Brown, Y.-C. Norman Cheng, E. Mark Haacke, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan The Basics of MRI, Joseph P. Hornak, Ph.D. Fraunhofer 49