Wie funktioniert Kernspintomographie?

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1 Wie funktioniert Kernspintomographie? Vom Radfahren zum Gedankenlesen Hans-Henning Klauss Til Dellmann, Walter Keller, Hannes Kühne, Hemke Maeter, Frank Radtke, Denise Reichel, Göran Tronicke, Institut für Festkörperphysik TU Dresden

2 Übersicht Der mechanische Kreisel Rad- und Motorradfahren Der magnetische Kreisel im Magnetfeld Atomkerne als magnetische Kreisel Kernspinresonanz Kernspintomographie

3 Das Pendel M r Auf die Masse wirkt die Erdanziehungskraft F An der Drehachse wirkt ein Drehmoment M = r x F Das Pendel bewegt sich in Richtung der Kraft F

4 Der mechanische Kreisel ein Pendel, das eine schnelle Eigendrehung vollführt Besonderheit: L ohne Drehmoment bleibt die Richtung der Drehachse (der Drehimpuls L) zeitlich konstant!

5 Die Erde - ein großer mechanischer Kreisel 1 Tag 23,5 0 1 Jahr

6 Der mechanische Kreisel ein Pendel, das eine schnelle Eigendrehung vollführt M L Newtonsches Axiom: dl dt = M Besonderheit unter Krafteinwirkung : Bewegung nicht in Richtung der Kraft, sondern senkrecht dazu (Präzession) Je größer das Drehmoment, desto höher die Präzessionsfrequenz

7 Rad- und Motorradfahren Geradeausfahren: die Kreiseldrehung der Räder stabilisiert die Fahrtrichtung m Gewichtskraft Gesamtkraft L

8 Rad- und Motorradfahren Kurvenfahrt: Schräglage zur Kompensation der Zentrifugalkraft notwendig m Zentrifugalkraft Gewichtskraft Gesamtkraft

9 Rad- und Motorradfahren Kurvenfahrt: Kraft am Lenker nach links Kreiselverhalten: Schräglage nach rechts Kurvenfahrt nach rechts

10 Der magnetische Kreisel Die Drehachse des mechanischen Kreisels wird mit einem Stabmagneten (magnetischer Dipol μ ) verbunden Dieser besitzt Nord- und Südpol

11 Der magnetische Kreisel im äußeren Magnetfeld Ein Magnetfeld wirkt auf den magnetischen Dipol des Kreisels ω Dieses magnetische Drehmoment erzeugt ebenfalls eine Präzessionsbewegung Deren Frequenz ω (Drehgeschwindigkeit) ist proportional zur Größe des Magnetfelds B: ω = γ B stat

12 Atomkerne sind magnetische Kreisel Atomkerne sind winzig klein und leicht Die Präzession liegt bei hohen Frequenzen: ω ca. 100 MHz UKW-Radio Wie können wir diese Präzessionsfrequenz messen?

13 Energiezufuhr durch zeitlich veränderliches Magnetfeld Resonanz: Umklappen der Nord- Süd- Richtung Bedingung: Frequenz des Magnetfeldes = Präzessionsfrequenz des magnetischen Kreisels Auswahl der Kreisel (Atomkerne) mit einem bestimmten γ

14 Kernspinresonanz-Apparatur... Ein teures UKW-Radio Magnet B o Frequenzgenerator B 1 Detektor S Computer

15 Zeitlicher Ablauf eines Kernspinresonanz-Experimentes 1. Zufuhr von Energie durch einen kurzen Hochfrequenz-Strompuls in die Spule Stabmagnete der Atomkerne werden gekippt 2. Die Kernmagnete präzedieren im statischen Feld Induktionsspannung in der Spule Abtransport von Energie Richtungen der Stabmagnete wieder durcheinander (Ausgangszustand)

16 3 Phasen eines Kernspinresonanz-Experimentes 1. Zufuhr von Energie durch einen kurzen HF-Strompuls Stabmagnete der Atomkerne werden gekippt 2. Die Kernmagnete präzedieren im statischen Feld ohne Messung der Induktion 3. Die Kernmagnete präzedieren im statischen Feld mit Messung der Induktion τ Phase 1: HF-Puls 90 x 180 y τ HF-Puls r.f. g Signal signal δ Δ Phase 2: Warten time Zeit λ Phase 3: Messen

17 Zeitlicher Ablauf eines Spinecho - Kernspinresonanz- Experimentes 1. Erster HF-Strompuls kippt alle Kernspins um 90 Grad aus der z- in die y-richtung 2. Die Kernspins präzedieren im statischen Feld HF-Induktionssignal in der Spule, wird jedoch schnell kleiner aufgrund leicht unterschiedlicher Präzessionsfrequenzen 3. Zweiter HF-Strompuls kippt alle Kernspins um 180 Grad 4. Wenig später sind die Kernmagnete kurz wieder parallel Induktionsspannung in der Spule HF-Puls 1 HF-Puls 2 Signal Zeit

18 Ein Kernspinresonanz-Experiment Resonanzbedingung: Frequenz des HF-Magnetfeldes = Präzessionsfrequenz der Atomkerne Experimentelle Überprüfung: Feste Präzessionsfrequenz (Eisen-Kerne ): MHz Veränderliche Frequenz des HF-Feldes Was passiert mit der Signalstärke?

19 Kernspintomographie Peter Mansfield Paul Lauterbur Magnetic Resonance Imaging (MRI) The Nobel Prize in Physiology and Medicine 2003 "for their contributions to magnetic resonance imaging"

20 Kernspintomographie Idee: Auswahl der Atomkerne einer Schicht durch räumlich anwachsendes Magnetfeld ( Gradient ) ω Mess Anmerkung: = γ B 0 Energieübertrag um ein Vielfaches geringer als beim Röntgen

21 Kernspintomographie Schichtauswahl Intensität als Maß der Anzahl der Wasserstoffkerne im Gewebe

22 Ortsauflösung in allen drei Raumrichtungen Phase 1 Feldgradient senkrecht Phase 2 Linienauswahl Phase 3

23 Ortsauflösung in allen drei Raumrichtungen Phase 1 Feldgradient quer Phase 2 Punktauswahl Phase 3

24 Anwendungen: Hirntumor-Diagnose Tumor

25 Darstellung von Blutgefäßen (Angiographie)

26 Nachweis von Flüssigkeitsströmungen Herzmuskel Blutströmungen im Herzmuskel rekonstruiert aus molekularer Diffusion Flüssigkeitsströme im Gehirn Basser et al Biophysical J (1994)

27 Kann man Gedanken lesen? MRI untersucht Anatomie Funktionelle MRI (fmri) untersucht Gehirnfunktionen

28 Funktionelle Kernspintomographie (fmri) Hohe Ortsauflösung (1 mm) MRI fmri Niedrige Ortsauflösung (~3 mm) one image fmri Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) signal indirekte Messung der neuralen Aktivität Viele Bilder (alle 2 Sekunden, 5 Minuten lang) neurale Aktivität Blutsauerstoffgehalt fmri-signal

29 Zeitabhängigkeit der lokalen Signalstärke

30 Versuchsaufbau

31 Aktivierung des Sehzentrums Flickering Checkerboard OFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s) Gehirn Aktivität Kwong et al., 1992 Zeit

32 Kernmagnetische Resonanz (NMR) Festes Magnetfeld Auswahl der Resonanz bestimmter Kernsorten Untersucht werden Flüssigkeiten und Festkörper Atomkerne als Spione zur Beobachtung der mikroskopischen Materialeigenschaften (chemische Bindung, Magnetismus)

33 Grundlagenforschung Magnetismus Supraleitung Ebene Struktur Kettenstruktur

34 Zusammenfassung Der mechanische Kreisel Rad- und Motorradfahren Atomkerne als magnetische Kreisel Kernspinresonanz Kernspintomographie Vielen Dank für Ihr Interesse!!!

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