Magnetresonanztomographie

Transkript

1 Magnetresonanztomographie 1

2 Inhalt Geschichtlicher Überblick MRT in Kürze Verfahrensschritte Physikalische Grundlagen der MRT Signal/Messung Bildgebung Vor- und Nachteile der MRT 2

3 Geschichtlicher Überblick : 1924 Entdeckung der Hyperfeinaufspaltung in Atomspektren, Kernspin von W. Pauli postuliert 1946 Beschreibung der magnet. Magnetresonanz in Flüssigkeiten und Festkörperndurch F. Bloch und E. Purcell, Anwendung in der Spektroskopie Kernspinechos durch Hahn 3

4 1967 Erste Magnetresonanzexperimente an lebenden Tieren durch J. Johns 1973 Erste Magnetresonanz-Schnittbildaufnahme durch P. Lauterbur mittels 4

5 1975 Moderne Bildgebung mittels FourierTransformation durch R. Ernst 1976 Erste MR-Bilder am lebenden Menschen von P. Mansfield Ab ca klinische Anwendung der MR und rasante Weiterentwicklung 5

6 Magnetresonanztomographie (MRT) MRT ist ein Verfahren, das vor allem in der Medizin zur Darstellung von Struktur und Funktionen der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. 6

7 Verfahrensschritte 1 Ausrichtung der Wasserstoffkerne im menschlichen Körper durch ein starkes externes Magnetfeld gezielte Anregung der Kerne durch Radiowellen 7

8 Verfahrensschritte 2 Messung der zurückgesendeten Signale 3-dimensionale Darstellung der Messsignale 8

9 Physikalische Grundlagen der MRT 9

10 Bausteine der Atomkerne Neutronen und Protonen. 10

11 Magnetisches Moment Enthält ein Atomkern eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen und Protonen, so tritt nach außen ein messbares magnetisches Moment auf. 11

12 Aufgrund des sehr häufigen Vorkommens von Wasserstoffkernen im menschlichen Körper wird bis auf wenige spezielle Anwendungen in der MRT hauptsächlich das Verhalten von Wasserstoffkernen im Magnetfeld gemessen. 12

13 Das magnetische Moment des H-Atoms kann als Vektor dargestellt werden, der um sich selbst rotiert (Spin des Protons) 13

14 Spin Verhält sich physikalisch wie der Drehimpuls Die Achse, um die sie präzessieren, ist bekannt als longitudinale Richtung die Ebene, in der sie präzessieren als transversale Richtung 14

15 Protonen sind eine rotierende Masse, die einen Drehmoment besitzen Wegen ihrer Eigendrehimpulse präzedieren die Kerne wie Kreisel 15

16 In der Ruhelage haben die Spins irgendeine Richtung Sie kompensieren sich vollständig Der resultierende Vektor ergibt den NullVektor =>Unmagnetisch 16

17 Präzessionsbewegung In einem intensiven Magnetfeld (genannt B0), richten sich die Rotationsachse der Kernspins einige parallel,und einige antiparallel nach B0 aus während die Spins im Magnetfeld präzessieren und es zu einem stabilenn Zustand kommt; baut sich eine Längsmagnetisierung in ZRichtung auf 17

18 Präzessionsbewegung 18

19 Blotzmann-Statistik Der Unterschied zwischen der parallelen und anti parallelen ist proportional zur Amplitude des magnetischen Feldes => Der resultierende Vektor parallel zu B0 19

20 Blotzmann-Statistik N- = Anzahl der parallelen N+ = Anzahl der anti paralleleln mit Boltzmann-Statistik: und für kleine Argumente der exp-fkt. folgt: Beispiel: Protonen-Messung mit 1T B0-Feld bei 37 C (310K) 20

21 Resonanzfrequenz Die Resonanzfrequenz ω0, genannt Larmor Frequenz oder Prozession-Frequenz, ist proportional zu der Intensität des magnetischen Feld: ω0 = γ*b0. 21

22 Der magnetische Vektor Der magnetische Vektor des Spinns der Protonen lassen sich in zwei orthogonalen Komponenten: eine Längs und eine QuerKomponente 22

23 Quervektor Da die Bewegungen der Präzession der Spins nicht phasengleich ist, heben sich die Querkomponenten gegenseitig auf => Der resultierender Quervektor = 0 23

24 Quervektor 24

25 Kernspinresonanz durch eine RF-Spule werden die Spins aus dem Gleichgewicht gebracht Resonanz: Austausch von Energien zwischen zwei Systemen zu einer bestimmten Frequenz. Magnetresonanz entspricht den energetischen Wechselwirkungen zwischen Spins und elektromagnetischer Radiofrequenz (RF). Dieses Phänomen (Kernspinresonanz ) tritt nur auf gdw RF = Frequenz der Präzession der Spins 25

26 Kernspinresonanz Die Radiofrequez wird unser Spin-System Energie zuführen (Excitation /Aufregung) RF =0 Rückkehr des Systems zum Gleichgewicht => eine Emission von Energie (Relaxation) 26

27 Excitation unser vektor (eine Längs und eine QuerKomponente) Längs-Komponente : Unterschied zwischen parallelen und antiparallelen Spins Quer-Komponente : Kohärenz der phasen der Spins 27

28 Excitation Bei einer Excitation wird die LangsKomponente abnehmen Dh die Spins kippen und mit ihnen die Längsmagnetisierung immer mehr aus ihrer ZRichtung heraus Erscheinung der Quer-Komponente (es sei denn eine magnetisierung bei 180 Auslenkung) 28

29 magnetisierung bei 180 Auslenkung bei eine, 180º-Impuls kippt die Magnetisierung in die entgegengesetzte Richtung der Z-Achse 29

30 Quermagnetisierung bei 90 Auslenkung bei einem 90º- Impuls kippt die Magnetisierung in die XY-Ebene; Spins drehen sich in XYEbene => Quermagnetisierung Längsmagnetisierung nimmt den Z-Wert null an 30

31 Quermagnetisierung bei 90 Auslenkung Bild 31

32 Relaxation Rückkehr des Systems zum Gleichgewicht einer Emission von Energie in Form RF ( NMR-Signal ) Die Relaxation gliedert sich in 2 Phänomene: Longitudinale Relaxation (wiederaufbau der Längsmagnetisierung ) Transversale Relaxation (Abnahme der Quermagnetisierung) 32

33 Longitudinale Relaxation Energieabgabe an die Umwelt T1:Dauer der Längsrelaxation ist abhängig von der Feldstärke und gewebespezifisch der wiederaufbau des Längs-Magnetisierung folgt einer exponentiellen Kurve. 33

34 Longitudinale Relaxation bilder 34

35 Transversale Relaxation wegen Interaktionen von Spin-Spin Diese Interaktionen sind temporär und zufällig verursachen Heterogenität im Feld Da die Spins nicht die selbe Frequenz besitzen => schnelle Dephasierung 35

36 Transversale Relaxation Das Abnahme der Quer-Magnetisierung folgt einer fallenden exponentiellen Kurve T2 :Dauer der Transversale Relaxation viel kürze als T1 Die Dauer der Quer-Relaxation ist gewebespezifisch 36

37 Transversale Relaxation bilder relaxation4.swf 37

38 Transversale Relaxation 38

39 39

40 Messen des RF-Signals 40

41 Längs und Quermagnetisierung Längsmagnetisierung Mz in Z-Richtung Quermagnetisierung in xy-ebene Richtung 41

42 T1 und T2 Beim Wiederherstellung des Ausgangssignals unterscheidet man 2 Zeiten. T1:Der Aufbau für Längsmagnetisierung T2:Der Zerfall der Quärmagnetisierung 42

43 T1 T1 ist Gewebeabhängig: Bedeutet, dass der Aufbau Zeit der Längsmagnetisierung für unterschiedliche Geweben braucht unterschiedliche Zeiten 43

44 T2 Ist auch Gewebe abhängig: d.h. bei unterschiedliche Geweben zerfällt die Quermagnetisierung in unterschiedlichen Zeiten 44

45 Spinecho 90 Impuls gefolgt von 180 Impuls Die Zeit dazwischen heißt Echozeit(ET) 45

46 Hier lässt sich die Höhe eines Echos gut messen, weil man einen hinreichenden Abstand zu den starken Sendeimpulsen hat. 46

47 Repetitionszeit (TR) Zeit zwischen zwei 90 Impulsen 47

48 Atomkerne werden durch Pulsfolge angeregt Änderung in magnetischen Feld kann durch elektronischen Empfänger aufgezeichnet werden und im Rechner weiterberabeitet. 48

49 wie kommen wir vom Signal zum eigentlichen Abbild? 49

50 Schichtwahl 1 das Magnetfeld wird entlang der Z-Richtung inhomogen (ungleich verteilt) gemacht um selektiv eine Schicht anzuregen 50

51 Schichtwahl 2 Mit einer bestimmten Frequenz wird genau eine bestimmt Schicht (schraffiert) angeregt Angrenzenden Schichten besitzen andere Resonanzfrequenzen und werden nicht beeinflusst 51

52 Durch gleichmäßig linearen Änderung der Feldstärke in Längsrichtung (Gradient) wird ein gleichmäßiger Anstieg der Lamorfrequenz in Längsrichtung erreicht Folge: durch Frequenzselektion eine Schicht (einen Querschnitt ) auszuwählen 52

53 Ortskodierung Die Ortskodierung besteht aus zwei Schritten: Phasenkodierung (oft mit Gy-Gradientenfeld) Frequenzkodierung (oft mit Gx-Gradientenfeld) 53

54 Gemessenes Signal enthält 2 Informationen: Frequenz (Angabe über Herkunft des Signals in XRichtung) Dekodierung mittels inverser Fouriertransformation Phasenaufteilung innerhalb jeder einzelnen Frequenz (Angabe über Herkunft des Signals in YRichtung) Für Unterscheidbarkeit von n Orten sind n Messungen mit unterschiedlicher Gradien-tenstärke erforderlich 54

55 Um auch in Querrichtung (X-Richtung) selektieren zu können wird in diese Richtung ein Feldgradient geschaltet, der die Signale der örtlichen Voxel frequenzkodiert. Für die andere Querrichtung (Y-Richtung) benutztman einen Phasengradienten zur Phasenkodierung. 55

56 Durch zweidimensionale Fourier-Transformation lassen sich jetzt für die einzelnen Voxel die Signals aus der Frequenz- und der Phasenkodierung zurückgewinnen. im Rechner ist fertig und kann auf dem Bildschirm oder auf Folie ausgegeben werden. 56

57 Bild-Kontrast 57

58 Bildkontraste 1 Die Helligkeit eines Gewebes wird von 3 Parameter bestimmt : Protonendichte, Relaxationszeiten T1,T2 58

59 Protonendichte Gewebe mit großer Protonendichte erscheinen im PD-Bild hell, während Gewebe mit niedriger Protonendichte dunkel erscheinen 59

60 TR lang wählen => fast vollständige Längsrelaxation (T1-Einfluss gering) TE relativ kurz nach dem 90 -Impuls => erzeugen noch kaum Querrelaxation (T2Einfluss gering) 60

61 T1-Kontraste Bei den Geweben mit schneller T1, wird nach erneuter Anregung viel Signal entstehen => (Gewebe erscheint hell) Während bei den Geweben mit langem T1 nur wenig Signal entsteht =>(Gewebe erscheint dunkel) 61

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63 T2-Kontraste Wird durch ein Langes TE Stark gewichtet TR lang wählen Gewebe mit kurzem T2 geben wenig Signal (erscheinen auf Bild dunkel); Gewebe mit langem T2 viel Signal (erscheinen im Bild hell) 63

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66 MRT-Vorteile Bessere Darstellbarkeit von den Organe. Das Bild ist resultiert aus verschiedenen Signalenintensiten, die charakterestik sind für ihre verschiedenen Geweben. Das Verfahren passiert, ohne mögliche schädliche ionisierende Strahlung. 66

67 MRT-Vorteile Verbesserung durch Kontrastmitteln Manche Organe werden erst durch die MRT-Untersuchung darstellbar (z. B. Nervengewebe). 67

68 MRT-Nachteile Hohe Kosten. Metall am oder im Körper kann Nebenwirkungen und Bildstörungen verursachen und kann gefährlich sein. Der Kalkgehaltige Knochen im Körper kann wegen verwendeten Felddichten schlicht dargestellt werden. 68

69 MRT-Nachteile Schnell bewegliche Organe wie das Herz lassen sich mit eingeschränkter Qualität darstellen Klopfgeräuschen wegen magnetische Kräfte. Durch den geringen Durchmesser der Röhre, in die der Patient gefahren wird, kann es zu Beklemmungs- und Angstgefühlen kommen. 69