Komponenten eines MRT- Systems

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1 Komponenten eines MRT- Systems

2 Komponenten eines MRT- Systems starker Magnet zur Erzeugung des statischen homogenen Magnetfeldes (0,1-4,0 Tesla; zum Vergleich: Erdmagnetfeld 30 µt - 60 µt) Hochfrequenzanlage und Sendespule zur Erzeugung eines periodischen Magnetfeldes zur Anregung Gradientenspulen zur Erzeugung von magnetischen Feldgradienten für die Ortskodierung (~ 40 mt/m) Empfangsspulen für die Hochfrequenzsignale Rechner zur Steuerung der Anlage Bedienungskonsole zur Ein- und Ausgabe von Daten und Funktionskontrolle

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4 Magnet Größte und schwerste Teil des Tomographen (typisch: 5 10 Tonnen) Magnetisierung im Körper ~ Feldstärke Verbesserung Signal-Rausch-Verhältnis ~ Feldstärke Aber: mit zunehmender Feldstärke: - Verlängerung der T 1 -Zeit - Verlängerung der Acquisitionszeit - Erhöhung der chemischen Verschiebung mehr Artefakte chemische Verschiebung: - Verschiebung der Resonanzfrequenz eines Kerns in Abh. von der chemischen Bindung (z.b. Molekülstruktur) - Abschwächung des angelegten Magnetfeldes durch e - - Hülle proportional zur Magnetfeldstärke

5 Magnet bei ω 0 >40 MHz: Abschattungen wg. Skin-Effekt!!! (d.h., Schwächung des äußeren Feldes durch vom HF-Wechselfeld induzierte Ströme)

6 Magnet 0,2 T gleiche Meßparameter unterschiedlicher Bildeindruck aufgrund feldabh. Signal-Rauschen- Verhältnis 1,0 T Meßparameter auf Feldstärke optimiert gleichbleibender Bildeindruck 1,5 T

7 Magnet - Anforderungen Forderung Bereich** Problem Homogenität 1ppm (20 cm Kugel) T 2 verkürzt 10 ppm (40 cm Kugel) Bildverzeichnungen Langzeitstabilität 0,1 ppm / h Weglaufen der Larmorfrequenz Kurzzeitstabilität Weglaufen der Phasenkodierung Streufeld 0,5 mt-linie* Funktion anderer Geräte gestört in Querrichtung bei 3 m (z.b. Herzschrittmacher) in Längsrichtung bei 5 m Gefahr durch Anziehung von Eisen * 0,5 mt = Herzschrittmachergrenze **angegebene Werte sind Größenordnungen

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10 Magnet am besten geeignet: supraleitende Magneten Typisch: Zylinder-Spulen, Patient im Zentrum Multi-Filament-Draht: Niob-Titan-Legierung (in Kupfer-Matrix eingebettet) - ein Draht besteht aus ~ 30 Fäden (Durchmesser je 0,1 mm) - Durchmesser der Cu-Matrix: ~ 2mm - für 1T Feldstärke: 10 km Drahtlänge bei mittlerem Radius von 550 mm - verlustfreie Führung von Strömen bis zu 500 A (typisch: 200 A) - gespeicherte magn. Feldenergie ~ 4 MJ (bei 200 A) Nb-Ti unterhalb T c ~ 4.2 K (flüssiges Helium) supraleitend: - einmal eingespeister Strom bleibt fast unverändert bestehen Meißner-Ochsenfeld-Effekt: - sehr gute Abschirmung störender äußerer Magnetfelder

11 Magnet ( Aufladen ) Wegen U=L. di/dt kann Magnet in einer Stunde aufgeladen werden: Beispiel: - verwende Quelle mit 10 V, 200 A, 2000 W - Aufheizen einer Kurzschlussbrücke im Magneten über Tc - wenn Strom von z.b. 200 A erreicht, abschalten der Heizung - Magnetspule wird vollständig supraleitend - Stromquelle kann entfernt werden

12 Magnet (Shimming) - Magnet hat nach Abkühlen oder Ortswechsel nicht geforderte hohe Homogenität - Feldabgleich (Shimming) durch Anbringen von Eisenblechen und/oder Korrektur mit speziellen Shim-Spulen - Feld im offenen Innenbereich des Magneten muss Laplace-Gleichung r r r v erfüllen. Es gilt: xb = 0 und B = 0 r r r r r r r r - Allgemein gilt: x( xb) = ( B) B B = 0 - Lösungen für B z durch Entwicklung in Kugelflächenfunktionen - durch Messung von B z auf zentraler Achse und auf Kugel (verschiedene Winkel θ und ϕ) Bestimmung der ersten Koeffizienten der Reihe - Kompensation aller Koeffizienten durch Eisenbleche und Shim-Spulen

13 Gradientenspulen (I) schnelle Puls-Sequenzen: bis zu 20 mt/m kleine Induktivität: schnelles Schalten aber: kleine Windungszahlen!! schnelles Schalten der Gradientenspulen verursacht laute Klopfgeräusche!! (mechanische Kräfte auf Spulen wie bei Lautsprecher)

14 Gradientenspulen (II) am häufigsten verwendete Spulenformen G x -Spule um 90 gedreht Berechnung des Feldes nach Biot-Savart-Gesetz: r db µ 0 I 4π r = 3 r r di

15 Gradientenspulen (III) 1984: Jedi-Helmets

16 Gradientenspulen (IV) Kompensation von Wirbelstrom-Effekten (viele Bauteile des Magneten aus Aluminium Wirbelströme!!)

17 Sende-/Empfangsspulen (I) Anforderungen: - Erzeugung und Detektion eines rotierendes B-Feldes quer zur Längsrichtung des Magneten (z-achse) - Frequenz abh. von B 0 (21,3 MHz bei 0,5 T; 42,6 MHz bei 1 T; 63,9 MHz bei 1,5 T) - homogene Anregung (gleichmäßige Flipwinkel) Probleme: - Spulenabmessungen > Wellenlänge - leitende Teile zeigen parasitäre Leitungskapazitäten und Induktivitäten - Impedanzanpassung an Sender/Empfänger

18 Sende-/Empfangsspulen (II) Sattel-Spule Birdcage -Spule sehr kleine Magnetfeldstärken bzw. sehr niedrige Frequenzen (Prinzip: Helmholtz-Spulenpaar) hohe Magnetfeldstärken bzw. hohe Frequenzen (Prinzip: sinusförmige Stromverteilung auf Zylindermantel erzeugt homogenes Feld im Innern) Dimensionierung der Spule so, dass Rauschen möglichst klein Es gilt: je kleiner der Erfassungsbereich der Spule, desto geringer das Rauschen!!

19 Sende-/Empfangsspulen (III) Quelle: Siemens + Philips