MaReCuM MRT. OA PD Dr. med Dietmar Dinter Leiter des Geschäftsfelds Onkologische Bildgebung Institut für Klinische Radiologie und Nuklearmedzin

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1 MaReCuM MRT OA PD Dr. med Dietmar Dinter Leiter des Geschäftsfelds Onkologische Bildgebung Institut für Klinische Radiologie und Nuklearmedzin

2 Definition MRT MRT Magnetresonanztomographie = MRI Magnetic Resonance Imaging = Kernspintomographie = NMR Nuclear Magnetic Resonance

3 Definition MRT Rel. junge (klinische Einführung ca. 1980) Medizinische Bildgebungsmethode Methode der Wahl für Weichteildarstellung Technisch komplex Untersuchung(en) komplex

4 Eigenschaften MRT Keine Anwendung von ionisierenden Strahlen (im Gegensatz zu CT, XR) Multiplanare Bildgebung möglich Anwendung eines extrem starken Magnetfelds zur Bilderzeugung cave: Kontraindikationen

5 MRT-Kontraindikationen Keine Metalle im MR-Raum! Absolute Kontraindikationen Herzschrittmacher Andere nicht abnehmbare, nicht MR-sichere Implantate (Hirnstimulator, alte Stents) Relative Kontraindikationen Metallimplantate Platzangst Schwangerschaft KM kontraindiziert KM-Allergie KM kontraindiziert

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8 Sicherheit Bildgebung erfolgt unter Anwendung eines starken Magnetfelds (1,5-3T; x Erdmagnetfeld) Metalle (Geldbeutel, O 2 -Flaschen, Schlüssel,..) werden zum Magneten gezogen Metalle können sich erhitzen (v.a. Hautklammern, Zahnklammern, Piercings) Elektronische Geräte (Herzschrittmacher, Handy, PDA, ) werden ge-/zerstört

9 Patientenvorbereitung Aufklärung (Arzt, Nadelschwester) Ablegen allen Metalls Vor Betreten des MR-Raums nochmalige Befragung des Patienten (MTRA) Vergessene Metallteile führen zu Verletzungsgefahr (Beschleunigung, Erhitzen) Metallartefakten erneute Untersuchung nötig

10 Patientenmanagement Spule /Coil

11 MRT-Physikalische Grundlagen Patient in Röhre Starkes Grundmagentfeld (B o ) in Gradient entlang der Röhre 1,6 1,5 1,4 B o -Gradient (z.b. 1,4-1,6 T mit 1,5T im Zentrum)

12 MRT-Physikalische Grundlagen Y Z X

13 Was braucht man für ein MR-Bild? Protonen (Wasserstoff-Kerne) Statisches Magnetfeld RF Radiofrequenz-Pulse Magnetfeldgradienten MRT-System

14 Protonen, Wasserstoff-Kerne Für Kernspinresonanz geeignet Häufiges Vorkommen H 2 O H 65 % Wasser Elektron Proton

15 Statisches Magnetfeld B 0 B 0 Ohne Magnetfeld: Spins statistisch und isotrop in alle Richtungen orientiert Mit Magnetfeld: Spins richten sich parallel zum Magnetfeld aus

16 Protonen im Magnetfeld B 0 Kernspin: Atomkern rotiert um seine eigene Achse

17 Protonen im Magnetfeld B 0 Kernspin: Atomkern rotiert um seine eigene Achse N Rotierende geladene Teilchen erzeugen ein Magnetfeld S

18 Protonen im Magnetfeld B 0 Kernspin: Atomkern rotiert um seine eigene Achse Rotierende geladene Teilchen erzeugen ein Magnetfeld Im äußeren Magnetfeld B 0 präzedieren (kreiseln) Spins um die Achse des Magnetfeldes N S B 0

19 Protonen im Magnetfeld B 0 Kernspin: B 0 Spins präzedieren um B 0 mit Larmorfrequenz f abhängig von Sorte des Atomkerns (H, P, Na) Stärke des äußeren Magnetfeldes Bsp. Proton ( 1 H-Kern) bei 1,5 Tesla: f = 63 MHz

20 Was ist Resonanz? schwingungsfähiges, physikalisches System, Eigenfrequenz f periodische Einwirkung von außen mit Eigenfrequenz f

21 Kernspinresonanz Zufuhr von Energie durch elektromagnetische Hochfrequenzfelder (RF) mit Präzessionsfrequenz f Kernspins werden angeregt, aus Ruhelage ausgelenkt RF z α B 0 M x y

22 Anregungs-/Flipwinkel α RF z α B 0 M x y RF z M z α = 90 x M xy y

23 Longitudinal Transversal Gleichgewichtszustand: Magnetisierung parallel zu B 0 longitudinale Magnetisierung M z z B 0 x y Nach RF-Puls: Magnetisierung in xy-ebene transversale Magnetisierung x z M xy y

24 Transversalmagnetisierung meßbar B 0 z RF x y

25 Ein Kernspinexperiment RF B 0 RF-Sende- Spule RF RF RF RF FID: Freier Induktions-Zerfall t RF-Empfangs- Spule

26 Relaxation Nach RF-Puls-Anregung: Spins aus Gleichgewichtszustand ausgelenkt Spins kehren in ihren Gleichgewichtszustand zurück t FID: Freier Induktions-Zerfall

27 Transversale Relaxation: T2 Spins wechselwirken untereinander Transversale Magnetisierung baut sich ab Meßbares Signal verschwindet (FID)

28 T2-Relaxationszeiten M xy CSF 37 % Graue Hirnsubstanz Weiße Hirnsubstanz Fett Zeit/ms T2-Zeit/ms

29 Beispiel: T2-Wichtung

30 Longitudinale Relaxation: T1 Spins geben Energie an umliegendes Gitter zurück Longitudinale Magnetisierung baut sich wieder auf

31 T1-Relaxationszeiten M z Fett Weiße Hirnsubstanz 63% Graue Hirnsubstanz CSF T1-Zeit/ms Zeit/ms

32 Beispiel: T1-Wichtung

33 Wie entsteht das Bild? Bisher: RF-Puls regt alle Protonen im Körper an Alle Protonen haben gleiche Resonanzfrequenz Problem: Alle Protonen senden gleiches Signal. Man weiß nicht, woher das Signal stammt! Kein Bild! RF RF RF RF

34 Wie entsteht das Bild? Lösung Teil 1: Nur ausgewählte Protonen werden angeregt Variation der Magnetfeldstärke ( Gradientenfelder ) Resonanzfrequenz der Protonen abhängig von ihrem Ort Schichtselektion B RF Keine RF RF x Keine RF

35 Wie entsteht das Bild? Lösung Teil 2: Der Ort der Protonen wird in ihrer Eigenfrequenz kodiert Variation der Magnetfeldstärke Gradientenfelder Resonanzfrequenz der Protonen abhängig von ihrem Ort RF RF RF RF

36 Wie entsteht das Bild? Lösung Teil 2: Der Ort der Protonen wird in ihrer B Eigenfrequenz kodiert Variation der Magnetfeldstärke Gradientenfelder Resonanzfrequenz der Protonen abhängig von ihrem Ort RF RF RF x

37 Wie entsteht das Bild? Folge: Bilddaten werden nicht direkt aufgenommen, sondern in kodierter Form B x RF RF RF RF Aufgenommenes Signal

38 Noch ein Kernspinexperiment RF B B 0 RF-Sende- Spule y RF-Empfangs- Spule

39 Noch ein Kernspinexperiment B x B 0 RF-Sende- Spule RF-Empfangs- Spule

40 MR-Pulssequenz Gradientenecho-Sequenz α RF-Puls Schicht- Gradient Frequenzkodier- Gradient t t t α t t t Phasenkodier- Gradient t t MR-Signal TE TR

41 Wie entsteht das Bild? Folge: Bilddaten werden nicht direkt aufgenommen, sondern in kodierter Form B x RF RF RF RF Aufgenommenes Signal

42 Wie entsteht das Bild? Dekodierung des akquirierten Signals: Fouriertransformation Aus Frequenzmischung werden wieder die Entstehungsorte berechnet. Aufgenommenes Signal Fouriertransformation

43 Fouriertransformation Berechnung der (Sinus-)Frequenzen einer Schwingung: Fouriertransformation t 440 Hz f

44 Fouriertransformation Aus Frequenzmischung werden wieder die Ursprungsfrequenz en berechnet. Fouriertransformation t 440 Hz 880 Hz f

45 Fouriertransformation Aus Frequenzmischung werden wieder die Ursprungsfrequenz en berechnet. Fouriertransformation t 440 Hz 880 Hz 1320 Hz f

46 Wie entsteht das Bild? B x RF RF RF RF Aufgenommenes Signal Fouriertransformation

47 Wie entsteht das Bild? Das ganze (zweidimensionale) Bild wird entsprechend kodiert Aufnahme: Rohdatensatz im k-raum Durch Fouriertransformation wird aus den Rohdaten das Bild berechnet k-raum Fouriertransformation

48 Aufnahmetechnik Sequenz = Abfolge von Pulsen Definition durch TR TE Flipwinkel Gradientenecho / Spinecho etc

49 Aufnahmetechnik TE - Echozeit N N N N S S S S. Zeit TR - Repetitionszeit

50 Aufnahmetechnik TR Abstand zwischen zwei Anregungen TE Abstand zwischen Anregung und Auslese des Signals Flipwinkel Winkel um den die Magnetisierung durch den HF Puls gekippt wird Je höher FW desto mehr Energie wird benötigt Je höher FW desto mehr Signal wird erhalten Je höher FW desto länger muss bis zum nächsten HF Puls gewartet werden

51 Relation TR-Bild MR Bilder besitzen typische Auflösungen, MATRIX 512 x 256 (512 Zeilen in X Richtung mit je 256 Punkten) 256 x 128 (256 Zeilen in X Richtung mit je 128 Punkten) Pro TR wird eine Zeile in X Richtung ausgelesen und im k-raum gespeichert

52 TR und k-raum TR1

53 K-Raum komplette Akquisition Fourier- Transformation Rohdaten Berechnetes Bild

54 K-Raum zentrale Anteile Kontrast Fourier- Transformation Rohdaten Berechnetes Bild

55 K-Raum - Peripherie Details Fourier- Transformation Rohdaten Berechnetes Bild

56 Bildkontrast Zwei Haupt Wichtungen : T1 und T2 T1 Fett hell, Wasser dunkel T2 Wasser hell, Fett hell/dunkel T1 wenn TR (500ms) und TE kurz (20ms) T2 wenn TR (>2000ms) und TE lang (>80ms) T2: Sensitiv für Pathologien durch Ödem

57 Vergleich T1 und T2 T1 T2

58 Vergleich T1 und T2 T2 T1?

59 Proton-Densitiy Protonen-gewichtete (PD) Bilder entstehen mit: TR lang (z.b. 4700ms), TE kurz (z.b. 20ms) Mischkontrast aus T1, T2 und der Anzahl der Protonen im Messbereich Anwendung: Neuro (v.a. Kopf) Orthopädisches MR (Knie)

60 T2 and T2* Relaxation T2* relaxation influences contrast in gradient echo imaging T2 relaxation influences contrast in spin echo imaging

61 Vergleich T1 und T2 T1 T2

62 Vergleich T1 und T2 T2 T1?

63 STIR STIR = short tau inversion recovery STIR T2 gewichtet, fettunterdrückt Arbeitstier der orthopädischen MRT Anwendung als Screeningsequenz da durch Fettunterdrückung Ödem besonders gut sichtbar Tumorsuche Knochen, Weichteil, (Lunge) Entzündungssuche Knochen, Weichteil Verletzungssuche (Bandläsionen, Frakturen

64 Fettsättigungstechniken Fett, protonenreich häufig sehr hell, störend Fettsättigung (fatsat, fs) unterdrückt Fettsignal Spektrale Fettsättigung durch fett-selektiven Sättigungspuls STIR-Technik durch Nullung des Fettsignals mittels Inversionspuls Opposed Phase (Auslöschung des Fettsignals durch Phasenverschiebung)

65 Gradienten- vs Spinecho GE bis zu 50x schneller weniger Bewegungsanfällig Anfällig für Artefakte weniger Signal häufig KM Anwendung (MRA) Hohe Anforderung an Gerät/Gradienten Basic-Technik SE langsamer Höhere Signalausbeute Weniger anfällig für Artefakte

66 Magisches -Sequenzdreieck Auflösung Geschwindigkeit Kontrast

67 Vergleich MR-CT B o, RF Bild Signalintensität Hoher Weichteilkontrast KM sehr gut vertäglich Schwangere erlaubt (ohne KM) Cave: Metall etc. Lange Untersuchungsdauer Hyperintens/hypointens Rotierende Röntgenröhre Bild Dichtemessung Guter Luft-Knochen- WT-Kontrast Bei Schwangeren KI KM häufig mit NW Notfallmodalität (sehr schnell und einfach) Hyperdens/hypodens

68 Vergleich MR-CT ZNS TU, Infektion, Fehlbildung, Infarkt WS, BSP Weichteile (Muskel, Sehen, Knorpel) Knie, Schulter, Ellbogen Abdominalorgane MR-Angiograhie ZNS Blutung, Infektion, TU Knochen, v.a. Frakturen Lungendarstellung Frage nach Verkalkung Routine Abdomenuntersuchung Staging CT- Angiographie