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2 gut strukturiertes e-book mit mathematischen und physikalischen Hintergrund ance_imaging Überblick über und Einführung in (medical imaging) MRI; Prinzip und Übersicht über die Prinzipien 3 Auch als NMRI (nuclear magnetic resonance imaging) oder MRT (magnetic resonance tomography) bezeichnet Anwendung für die Darstellung der Struktur und Funktion des menschlichen Körpers im Gebiet Medical Imaging Darstellung in beliebigen Ebenen möglich Größerer Kontrast zwischen unterschiedlichen Weichgeweben als im CT erstes MR Bild wurde 1973 veröffentlicht 1977: Erste MRT-Studie an einem Menschen Paul Lauterbur und Sir Peter Mansfield sind 2003 mit dem Nobel Preis für Physiologie und Medizin für ihre Überlegungen zur fundamentalen Bedeutung und Anwendungsmöglichkeiten von MR im medizinischen Bereich 4 2

3 5 Magnet ( Hauptmagnetfeld ): von Bedeutung sind dabei die Feldstärke und die Präzision (Homogenität) Supraleitender Elektromagnet (Resistiver Elektromagnet) (Permanentmagnet) Gradientenfelder (veränderliche Magnetfelder über das darzustellende Volumen zur räumlichen Kodierung wesentlich für die Scheibenauswahl)): Wichtig sind das schnelle und präzise Schalten der Feldstärke und Richtung des Magnetfeldes Resistiver Elektromagnet 6 3

4 Radiofrequenz (RF) Transmissionssystem (high-end Scanner haben typischerweise eine Spitzenleitstung bis zu 35 kw): System besteht typischerweise aus: RF Synthesizer Leistungsverstärker Transmissionsspule Empfänger besteht typischerweise aus: Empfangsspule Vorverstärker Signalverarbeitungssystem Empfängerspule (entweder im RF-System integriert oder als stand-alone eingesetzt Bildqualitätsverbesserung ( close fitting coil )) 7 8 4

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8 15 Körper ist hauptsächlich aus Wasserstoffatomen aufgebaut ( 2 Wasserstoffkerne bzw. Protonen) Feld des MRT-Scanners richtet das Magnetfeld der Protonen aus RF elektromagnetisches Feld wird kurz eingeschaltet Protonen absorbieren die RF Feld Energie RF Feld abgeschaltet Protonen geben diese Energie (in Radiofrequenz) wieder frei diese wird vom Scanner detektiert 16 8

9 Position der Protonen im Körper wird durch ein zusätzliches Magnetfeld während des Scans bestimmt (= Gradientenfeld) Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Gewebstypen (weich) bedingt durch Unterscheide in der Rückkehr (= materialspezifische Zeitkonstanten) zum thermischen Gleichgewicht

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56 111 CE-FAST: Contrast Enhanced Fast Acquisition in the Steady State CISS: Constructive Interference in Steady State CORE: Clinically Optimized Regional Exams CSFSE: Contiguous Slice Fast-acquisition Spin Echo DANTE: Delays Alternating with Nutations for tailored excitation DE-FLASH: Doppelecho Fast Low Angle Shot DEFAISE: Dual Echo Fast Acquisition Interleaved Spin Echo GRE: Gradienten-Echo HASTE: Half fourier-acquired Single shot Turbo spin Echo IR: Inversion Recovery IRABS: Inversion Recovery Fast Grass LOTA: Long Term Averaging MAST: Motion Artifact Suppression Technique MPGR: slice-multiplexed Gradient Refocused acquisition with steady state MP-RAGE: Magnetization Prepared Rapid Gradient Echo GE mit SE-Anteil durch Ausnutzung der Gleichgewichtsmagnetisierung Zwei GE-Sequenzen, deren Einzelsignale konstruktiv addiert werden Serie von Pulsen Turbo-SE mit Half-Fourier-Akquisition, alle Rohdaten in einem Pulszug SE o.a. mit vorgeschaltetem 180 -Puls 3D-Variante von Turbo-FLASH PSIF, CE-GRASS GE

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59 117 Chemische Umgebung ( magnetische Abschirmung der Elektronenhülle) der Protonen verursacht eine Verschiebung deren Präzessionsfrequenz Beispiel: Protonen in Fett oder Wasser Chemische Verschiebung liegt bei etwa 3,5 ppm (entspricht einem Unterschied von 225 Hz bei 1,5 T)

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62 Niederfeldgeräte mit 0,2 0,5 Tesla: heute nur noch vereinzelt im Einsatz. Magnetfeld B 0 für diagnostische Zwecke weist typischerweise heute eine Stärke von mindestens 1 1,5 Tesla auf Seit ungefähr 2006 Einsatz von Hochfeldgeräten mit Feldstärken von 3 Tesla Feldstärken > 3 Tesla: Probanden können nur sehr langsam in den Magneten gefahren werden, weil es durch die entstehenden Wirbelströme im Gehirn sonst zu Schwindel und Übelkeit kommen kann Geräte mit noch höheren Feldstärken (Ultrahochfeld-Systeme; bis zu 7 Tesla und darüber) werden in der Humanmedizin gegenwärtig nur für Forschungszwecke, aber nicht für Routineuntersuchungen eingesetzt. 123 Relativ junges Verfahren Weiterentwicklung des klassischen MRIs Bildgebendes Verfahren mit hoher räumlicher Auflösung zur Darstellung von aktivierten Strukturen (z.b. bedingt durch Stoffwechselvorgänge) im Inneren des Körpers, insbesondere des Gehirns

63 Ablauf typischerweise in drei Schritten Prescan: kurzer, gering auflösender Scan, mit dem die korrekte Lagerung des Patienten geprüft wird 3D MRT-Scan: räumlich hoch-auflösender Scan zur detailgetreuen Darstellung der Anatomie des zu untersuchenden Bereichs eigentlicher fmrt-scan: schneller Scan, zur Registrierung der stoffwechselbedingten Unterschiede (BOLD-Effekt) im untersuchten Gewebe 125 BOLD = Blood Oxygen Level Dependency 1935: Linus Pauling und Charles D. Coryell: Nachweis der Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Blutfarbstoffs Hämoglobin mit dessen Sauerstoffbeladung (relative Änderung oxigeniertes vs. desoxigeniertes Hämoglobin) 1990: Seiji Ogawa: Entdeckung, dass sich die Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Hämoglobins durch das BOLD-Signal kernspintomografisch erfassen lassen

64 BOLD-Signal ermöglicht Messung (auf den Millimeterbereich) begrenzter Aktivitätsschwankungen des Gehirns Aktivitätsschwankungen gehen mit der Verarbeitung sensorischer Information oder mentaler Aktivität jeglicher Art einher BOLD-Signal ist Grundlage für das fmri und ermöglicht so eine anatomische + funktionelle Darstellung anatomischer Strukturen + physiologischer Vorgänge 127 Anstieg der durchschnittlichen Impulszahl ( Anstieg der elektrochemischen Aktivität) der Gehirnzellen eines Hirnareals Anstieg des Bedarfes an Sauerstoff und Glukose Ausgleich durch komplizierten Regulationsmechanismus (Neurovaskuläre Kopplung) der Gehirngefäße Änderungen des Blutflusses, der vorhandenen Blutmenge sowie der Sauerstoffsättigung des Bluts führen zu Veränderungen des lokalen Magnetfelds (Änderung der Relaxationszeit T2*) spiegeln sich bei Verwendung geeigneter MRT- Sequenzen im BOLD-Signal wider

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66 Einzuordnen in die Oberklasse Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie (abgekürzt DW-MRI diffusion weighted magnetic resonance imaging) Messen und räumliches Darstellen der Diffusionsbewegung der Wassermoleküle im Körpergewebe mit Hilfe von MRI Einsatz vor allem zur Untersuchung des Gehirns Diffusionsverhalten im Gewebe verändert sich bei einigen Erkrankungen des zentralen Nervensystems charakteristisch Richtungsabhängigkeit der Diffusion ermöglicht Rückschlüsse auf den Verlauf der großen Nervenfaserbündel 131 Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI diffusion tensor imaging oder DT-MRI von diffusion tensor magnetic resonance imaging) häufig eingesetzte Variante der DW-MRI erfasst zusätzlich die Richtungsabhängigkeit der Diffusion Bestimmung/Berechnung (neben einen einzelnen Grauwert) pro Volumenelement (Voxel) eines Tensor (3x3-Matrix; Beschreibung des dreidimensionalen Diffusionsverhaltens) deutlich zeitaufwändiger als konventionelle MR-Aufnahmen

67 Diffusions-Bildgebung: Entstehung in den 1980er Jahren in allen neuen MRT-Geräten eingesetzt im klinischen Alltag insbesondere zur Schlaganfall- Diagnose eingesetzt betroffene Hirnregionen in diffusionsgewichteten Bildern deutlich früher erkennbar als in der klassischen MRT Diffusions-Tensor-Bildgebung: Entwicklung Mitte der 1990er Jahre 133 Einsatz in einigen Kliniken zur Operations- und Bestrahlungs-Planung Medizinische Forschung: Einsatz von DT-MRI insbesondere zur Erforschung von Krankheiten, die mit Veränderungen der weißen Substanz einhergehen (wie etwa Morbus Alzheimer oder Multiple Sklerose) Bildgebung erfolgt durch diffusionsgewichtete MRT-Pulssequenzen

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