2/27/2015. Kernspin(resonanz)tomographie Feldgradienten-Kernspinresonanz MRT. Energiestruktur

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1 Kernspin(resonan)toographie Feldgradienten-Kernspinresonan MRT Wiederholung a.) Radiospektroskopische Methoden Kap. X/4.1); b.) Toographieethoden Kap. VIII/4.1) Biophysik für Mediiner; ds.: Dajanovich, Fidy, Söllősi nergiestruktur nergiestruktur: a.) Schalenodell getrennte Niveaus für Protonen und Neutronen; b.) Nukleonen an der selben Bahn (d.h. dieselbe nergie) besiten unterschiedliche Spinustände (Pauli- Prinip) unterschiedliche Spinustände S P = ± 1/2 S N = ± 1/2 1

2 Nebula-Ring interstellarer Staub? gesat unabhängig vo Spinustand?! Drehipuls L ist gerichtet senkrecht ur bene von r und v! L: rhaltungsgröße! l= L = r v = r v = r rw l= r 2 w Teilchen (e, n, p,...) Rechte-and-Regel* : Masse des Körpers/Teilchens; w: Kreisfrequen; r: Radius der Bahn Bahn-Drehipuls + (eigener Drehipuls ) igendrehipuls Der Spin hat alle igenschaften eines echanischen Drehipulses, ausgenoen, dass ech. DI durch die Dreh- oder Kreisbewegung einer Masse hervorgerufen wird. Der Spin ist eine intrinsische igenschaft von einigen Teilchen. 2

3 Magnetisches Moent Aussage 1. (aufgrund der lektrodynaik): Bewegende, geladene Teilchen weisen ein agnetisches Moent auf. Aussage 2. (aufgrund Beobachtungen, Quantentheorie): Geladene Teilchen it Spin weisen ein eigenes agnetisches Moent auf. Proton (+) Neutron (0) Photon: besitt einen Spin (1), aber kein agnetisches Moent Spin Magnetisches Moent S = ± 1 2 μ = ±μ N N :Kernagneton nergieustand: a.) ohne Magnetfeld unabhängig vo Spinustand b.) it Magnetfeld: Aufspaltung des nergieniveaus Zeeansche-Aufspaltung S = - 1/2 μ = μ N Besetung aufgrund Boltannsche-Verteilung S = + 1/2 μ = + μ N 3

4 2/27/2015 Geeignete Atokerne für MRT Atokerne die von Null unterschiedlichen Spin besiten Ungepaarte Protonen und/oder Neutronen.B.: 1, 2, 13 C, 15 N, 17 O, 19 F, 23 Na, 31 P Charakteristische Größen: Frequenbereich M Feldstärke (tesla) ~0,9 ~10 De (J) 2, De (ev) 1, , Besetungsdifferen beogen auf Besetung des Grundniveau gesate absorbierte nergie (J) i Falle einer Populationsinversion 3, , , , Molekulare Veranschaulichung des agnetischen Moents M=S i =0; M=0 >0; M>0 4

5 Besetung, nergiedifferen, Mittelung über alle Spins u eine Zeitpunkt. ( =0) 2 1 De=h*f agnetisches M oent ( M ) M = M =0 M = M = M eq y y x x Preessionsbewegung Laror-Frequen Frequen der elektroagnetischen RF-Strahlung = Laror-Frequen Bestandteile eines MRT Gerätes supraleitender lektroagnet (~ 1 Tesla ~9 T) hoogenes Magnetfeld; Gradientenspulen ur reugung der Feldgradienten (in x-, y, -Richtungen) für Ortskodierung der Signale aus den einelnen Volueneleenten (Aplitude: 1,5-10 T/, Anstiegseit: ~0,1 s 1 s); F-Anlage ur reugung der speiellen elektroagnetischen Ipulse i RW-Bereich (~20 ~200 M, ~ kw); pfangsspule(n) ur Registrierung des ereugten Resonansignals; Shispulen u die Inhoogenitäten des auptagnetfeldes, und dadurch die Bildvererrungen, ausugleichen (bei offenen Geräten spielt es gan wichtige Rolle); lektronik für Steuerung und Datenverarbeitung/Speicherung 5

6 Mxy/Mo /27/2015 RF-Anregung Sie hängt von der durch einen RF-Ipuls ugeführten nergieenge ab 90 o und 180 o Ipulse Registrierung der Signale it pfangsspulen nach de Ipuls u gewisser Zeitspanne. Signale werden beobachtet entlang x, y (und ) Richtungen während der ntspannung (Relaxation ) der angeregten Atokerne Anregung 2 1 n 1 n 2 M= M xy y x gleicheitige Drehung Messung der MRT-Signale in (x,y)-bene S T / T T 2 T / R 1 ~ e (1 e ) Protonendichte ~ Konentration des Wasserstoffatoe in Geweben T 2 -Relaxation T 1 -Relaxation M,Fett M,w.S. M.g.S. M,Liq T 2 [s] Fett: 84 w. Subst.: 92 g. Subst.: 101 Liqu.: 1400 t [s] T 1 [s] Fett: 240 weise Substan:680 graue Substan:809 Liquor:

7 S T / T T 2 T / R 1 ~ e (1 e ) T R : Repetitionseit: Wiederholung einer bestiten Sequen von RF-Anregungen und agnetischen Feldgradienten; Wie viele Spins sind ugeklappt? T : choeit, Ausleseeit der Signale; Wie viele Spins sind bei cho noch in Phase? T T 2 e T T 2 e große Zahl kein Signal ehr T T 2 e T T 2 e kleine Zahl 1 Auslese kur nach Anregung; axiale Signalaplitude Kontrastverfahren aufgrund, T2, T1 it geeigneter Wahl für T und TR; Auswahl von T-en und TR-en sind durch T2 und T1 beeinflusst. S~ρ e T T 2 1 e T R T 1 T T 2 e T T 2 e kleine Zahl 1 T T 2 < T 1 (1 e T R T 1 ) 1; S~ρ Kontrastreiches Bild nach der Protonendichte 7

8 Kontrast? Der Weber-Kontrast (benannt nach rnst einrich Weber) als: K W = L ax L in 1 L: Leuchtdichte 0 K W Der Michelson-Kontrast (benannt nach Albert A. Michelson): K W = Φ ax Φ in Φ in K M = L ax L in L ax + L in 0 K M 1 K M = Φ ax Φ in Φ ax + Φ in Φ = S~ρ e T T 2 1 e T R T 1 K = ΔΦ Φ W.o.M weniger Kont. noral (urspr. Aufn.) ehr Kont. Relaxation(seit) von Atosorte von Verbindungen in denen sich die untersuchten Atokerne befinden cheische Aufbau, Struktur der Moleküle Wechselwirkung it eigenen und it lektronen der benachbarten Atoen/Molekülen Wie ändert sich das Signal it der Relaxationseit? kürere Relaxationseit führt u kleineren Signalaplituden Möglichkeit für paraagnetische Auslöschung/Verinderung der Signalaplitude Kontrastverfahren it Gd-haltigen Molekülen it paraagnetischen (.B. nitroxid-typ) freien Radikalen Perfusion/Durchblutungsversuchen Angiographie 8

9 Was ist der Grund für Signalunterschiede wischen unterschiedlichen Geweben Die Feldstärke des externen agnetischen Feldes wird durch die lokalen Wechselwirkungen verändert lokales agnetisches Feld. Die Anregungsfrequen, die Signalaplitude hängt von der Ugebung des Protonenspins von olekularen Zusaensetung/Aufbau eines Gewebes choline-haltige Verbindungen (Cho).B.: glycerophosphocholin, cholin, phosphatidylcholin, Wie können die Relaxationseiten bestit werden? ist schon angelegt: Aufspaltung der nergieniveaus 2 1 M= M y x 90 o -Ipuls 2 1 n 1 n 2 M= M xy y x 9

10 2 1 t Relaxation 2 1 M M y y x M xy Aufbau/Abbau von M /M xy sind unabhängig M x Zeitliche Abhängigkeit der x-y Koponente des Relaxationsproesses; Spin-Spin Relaxation; T 2 -Relaxationseit t Zeitliche Abhängigkeit der Koponente des Relaxationsproesses; Spin-Gitter Relaxation; T 1 -Relaxationseit t Wie können die Relaxationseiten bestit werden? auptagnetfeld ist angelegt Anregung it elektroagnetische Ipuls (90 o oder 180 o ) Registrierung der cho-signale u gewisser Zeit nach Anregung it unterschiedlichen Anregungssequenen Wiederholung der Anregung/Registrierungsproesse MRT-Sequenen Sind ier die selben Puls(Anregungs)sequenen und pfangssequenen benutt? Nein hängt von den u untersuchenden Geweben/Messverfahren ab Anregung it elektroagnetische Ipuls (90 o oder 180 o ) Repetitionseit (T R ) Auslesen der cho-signale u gewisser Zeit nach Anregung choeit (T ) K = ΔΦ Φ W.o.M ΔΦ Φ = ΔΦ ρ, T 1, T 2 T, T R 10

11 T 1 -Relaxation t opt.: ~ 600 s T 1 [s] Fett: 240 weise Substan:680 graue Substan:809 Liquor: 2500 T 1 -Kontrast axial bei T R ~=T 1 T <<T 2 u T 2 Abhängigkeit u iniieren Fett hell Liquor dunkel 11

12 Mxy/Mo /27/2015 T 2 -Kontrast axial bei T ~=T 2 T R >>T 1 u T 1 Abhängigkeit u iniieren T2 [s] Fett: 84 w. Subst.: 92 g. Subst.: 101 Liqu.: M,Fett M,w.S. M.g.S. M,Liq t [s] Kontrastverfahren T 1 T 2 PD 12

13 die Rolle der agnetischen Feldgradienten h h Resonan nur in dieser Schicht Die Aplitude des NMR-Signals ist proportional ur Protonenkonentration der gegebenen Schicht. Anwendung eines entsprechenden agnetischen Feldgradienten entlang der x,y, Achsen und seine schrittweise Veränderung erlaubt die Bestiung der Protonendichte in jede einelnen Volueneleent eines Körpers >> ein Bild gewichtet durch Protonendichte kann hergestellt werden. x G h y in Feldgradient entlang der -Achse erlaubt die Auswahl einer Schicht Die Bestrahlungsfrequen und die agnetische Feldstärke bestien die Schicht wo die Protonen angeregt werden Quelle der registrierten Signale 13

14 G x =G u untersuchende Schicht G y =G w in weiterer (.B.: G x ) Feldgradient ergibt eine Phasenkodierung; der andere Gradient (.B. G y ) ist benutt während der Auslese des cho-signals; Die Koordinaten eines Punktes sind dadurch bestit w 14

15 fmrt Das fmrt basiert auf Stoffwechselaktivitäten des Gehirns. I.) gesteigerter Stoffwechselverbrauch II.) Veränderungen des Blutflusses ine der Möglichkeiten: der BOLD-Kontrast bw. BOLD-ffekt (blood oxygenation level dependent) Sauerstoffgehalt in den roten Blutkörperchen in Rei aktiviert bestite irnareale und der Bedarf an Sauerstoff steigt in diese Bereich. s ströt nun ehr Blut in dieses neuronale irnareal, was in einer inialen Verhältnisänderung wischen sauerstoffhaltige und entladene äoglobin essbar ist. 15

16 Diffusionsgewichtete Magnetresonantoografie Nervenbahnen i Gehirn die Diffusionsbewegung von Wasserolekülen in Körpergewebe(n) ist geessen und räulich aufgelöst dargestellt Magnetresonanangiographie Methoden 1.) frisch einströendes Blut i Untersuchungsvoluen eine höhere Magnetisierung aufweist, als das stationäre Gewebe, dessen Magnetisierung durch die einwirkenden F-Pulse der MRT-Pulssequen reduiert (gesättigt) wird; 2.) Durch die Injektion von T1-verkürende (eist gadoliniubasierte) Kontrastittel wird das Blut auf T1-gewichteten MRT-Aufnahen signalreich dargestellt. 1.) 2.) 16

17 pfohlene Literatur: Bildgebung/Diffusionsgewichtete_MRT-Sequenen; 17