MR Grundlagen. Marco Lawrenz

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1 MR Grundlagen Marco Lawrenz Department of Systems Neuroscience University Medical Center Hamburg-Eppendorf Hamburg, Germany and Neuroimage Nord University Medical Centers Hamburg Kiel Lübeck Hamburg Kiel Lübeck, Germany SPM SPM Kurs Kurs zur zur funktionellen funktionellen Bildgebung, Bildgebung Hamburg

2 Inhalt Kernspinresonanz (NMR = nuclear magnetic resonance) NMR Bildgebung (MRI = magnetic resonance imaging) - Ortskodierung Einfluss von Messparametern am Beispiel EPI BOLD-Kontrast (fmri = functional MRI)

3 Prinzip Magnet Spule Probe statisches Magnetfeld Wechselfeld, Signal Atomkerne (H) mit Eigendrehimpuls (Spin) in einer Probe Statisches Magnetfeld (B 0 ) Spule hochfrequenter Radioimpuls (HF, B 1 -Feld) Induzierte Spannung (MR Signal) Relaxation der Magnetisierung

4 Prinzip Energie deltae E =ħγb ohne schwaches starkes Magnetfeld Ausrichtung der Spins im Magnetfeld (entlang von B 0 ) im Magnetfeld: Energieunterschied, Larmor-Frequenz ω= γb γ: gyromagnetisches Verhältnis leichter Überschuss in niedrigen Energiezuständen Magnetisierung der Probe (entlang von B 0 )

5 HF-Anregung und MR-Signal Longitudinalmagnetisierung (in B 0 ) so nicht messbar (Grafik: MRI made easy, HH Schild)

6 HF-Anregung und MR-Signal Longitudinalmagnetisierung(in B 0 ) so nicht messbar HF Puls Überführung in Transversal-Magnetisierung HF-Pulsfrequenz muss Resonanzbedingung genügen ( Kernspinresonanz ) Präsessionsbewegung mit Larmorfrequenz (Grafik: MRI made easy, HH Schild)

7 HF-Anregung und MR-Signal B M HF α Longitudinalmagnetisierung (in B 0 ) so nicht messbar HF Puls Überführung in Transversal-Magnetisierung Präzession der Magnetisierung induziert Spannung in der Empfangsspule MR-Signal (Grafik: MRI made easy, HH Schild)

8 Relaxationsprozesse T1, T2, T2* B M HF... Spin-Gitter-Wechselwirkung : Wiederaufbau der Longitudinal-Magnetisierung sog. T1-Relaxation, Transversal Longitudinal Spin-Spin-Wechselwirkung : Abnahme der Transversal - Magnetisierung sog. T2-Relaxation, Verkürzung Magnetfeldinhomogenitäten: Dephasierung der Transversal-Magnetisierung sog. T2*-Relaxation, Auseinanderlaufen der Spins

9 Relaxationsprozesse T1, T2, T2* Spin-Gitter-Wechselwirkung : Wiederaufbau der Longitudinal-Magnetisierung sog. T1-Relaxation, Transversal Longitudinal Spin-Spin-Wechselwirkung : Abnahme der Transversal - Magnetisierung sog. T2-Relaxation, Verkürzung Magnetfeldinhomogenitäten: Dephasierung der Transversal-Magnetisierung sog. T2*-Relaxation, Auseinanderlaufen der Spins T 2 * < T 2 T 1

10 Spinecho 90 FID 180 Spinecho HF/Signal TE/2 TE/2 TE: Echozeit Sequenz : zeitliche Abfolge der geschalteten Größen

11 Spinecho 90 Puls 180 Puls TE Grafik: MRI made easy, HH Schild)

12 Zusammenfassung I Atomkerne wie 1 H haben einen Kernspin Probenmagnetisierung M durch Ausrichtung im äußeren Magnetfeld B 0 Auslenkung von M mit HF-Radioimpuls der Larmor-Frequenz (Resonanz) Präzedierende Magnetisierung induziert Spannung in der Spule MR Signal Durch Relaxation kehrt M wieder in den Gleichgewichtszustand zurück

13 Wie kommt man vom MR-Signal zum MR-Bild?

14 Gradientenfelder Ein Magnetfeld-Gradient führt zu einer Verschiebung der Larmor-Frequenz ω= γb B, ω Ort

15 Ortskodierung 1. Schichtselektion α Datenaufnahme HF/Signal Gradient Ein Magnetfeld-Gradient während der HF-Einstrahlung sorgt durch Verschiebung der Larmor- Frequenz für die Schichtselektion B, ω Ort

16 Ortskodierung 2. Frequenzkodierung Datenaufnahme HF/Signal Gradient Ein Gradient während der Datenaufnahme lässt die Magnetisierung je nach Ort unterschiedlich präzedieren verschiedene Frequenzen können per Fourier-Transformation getrennt werden B, ω Ort

17 Ortskodierung Phasenkodierung Magnetfeldgradient zwischen Anregung und Datenaufnahme Fourier-Transformation bezüglich der Gradientenstärke separiert M der einzelnen Orte voneinander Muss mit verschiedenen Stärken des Feldgradienten wiederholt werden (daher zeitintensiv) B, ω HF/Signal Gradient α Datenaufnahme TR Ort L mal

18 Wie kommt man vom MR-Signal zum MR-Bild? Ortskodiertes MR-Signal (z.b.) x: Frequenz y: Phase z: Schicht MR-Signal im sog. k-raum Fourier- Transformation MR-Bild eines Phantoms (Flasche)

19 MR-Bildgebung - Wichtungen T1-gewichtetes Bild T2-gewichtetes Bild EPI (T2*-gewichtet)

20 Einfluss von Messparametern

21 Echozeit TE = 25 ms 40 ms 55 ms Die Echozeit bestimmt den Einfluss von T2* auf den Bildkontrast

22 Schichtdicke 6.0 mm 3.0 mm 2.0 mm 1.0 mm

23 Bandbreite 1000 Hz/px 2000 Hz/px 3000 Hz/px

24 Magnetfeldinhomogenität ( Shim ) tune up standard erweitert vershimt A-P vershimt R-L vershimt H-F

25 BOLD - Effekt 1936: magnetische Eigenschaften von Blut hängen vom Oxidationszustand ab O 2 bindet an die Häm-Gruppen im Hämoglobin, sog. Chelat-Komplexe des Fe 2+ desoxy-hb / (Fe): paramagnetisch, Magnetfeld in der Umgebung inhomogen Signalreduktion oxy-hb / (Fe-O 2 ): diamagnetisch BOLD Kontrast = blood-oxygenation level dependent 1990/1992: damit wird der Aktivierungszustand des Gehirns nachweisbar!

26 BOLD-Kontrast blood-oxygenation level dependent elektrische neuronale Aktivität (Aktionspotentiale) O 2 -Verbrauch, lokaler Blutfluss [desoxy-hb] B 0 -Homogenität MR-Signal CBF CMRO 2 MR Signal "BOLD Signal" 5 s nach: K. Uĝurbil u.a., 1999 Stimulusbeginn [desoxy Hb] Zeit

27 BOLD - Effekt Ruhe mit visueller Stimulation Differenz MR Signal Zeit

28 BOLD - Effekt Eigenschaften BOLD-gestützter funktioneller MR-Bildgebung (fmri): indirekte Aktivitätsmessung: über Blutversorgung 2-5% Signaländerung (steigt mit B 0 ): Statistik nötig Zeitauflösung deshalb (und wg. Bildgebung) begrenzt: im Bereich 0.2 s Ortsauflösung im mm-bereich MR Signal Zeit

29 Zusammenfassung II MRI beruht auf der Bildgebung von Wasserstoff-Atomkernen im Magnetfeld Bildgebung insbesondere möglich durch Magnetfeld-Gradienten (Ortskodierung) BOLD-fMRI nutzt die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von sauerstoffarmem Blut und sauerstoffreichem Blut aus Mit dem BOLD-Effekt wird insbesondere die lokale Erhöhung der Blutversorgung bei Aktivierung ausgenutzt