MRT 1 25.07.08 MRT Funktionsweise Wofür steht MRT? Magnetische Resonanz Tomographie. Alternative Bezeichnung: Kernspintomographie. Das Gerät heißt dann Kernspintomograph. S N Womit wird der Körper bei der MRT durchleuchtet? Vorteil gegenüber CT? Mit Hilfe von Magnetfeldern und Radiowellen. Vorteile: Im Gegensatz zu CT Aufnahmen gibt es keine Strahlenbelastung. Der Gewebekontrast ist höher man kann leichter gesundes und krankes Gewebe unterscheiden. In welcher Einheit wird das Magnetfeld gemessen? In Tesla (T). Zum Vergleich: ein Tesla ist ca. das Zehntausendfache des Erdmagnetfeldes. In Kernspintomographen herrschen bis zu 4 T! Was ist ein homogenes Magnetfeld? Ein Magnetfeld, das überall die gleiche Richtung und den gleichen Wert hat, heißt homogen. Was kann ein Magnetfeld inhomogen machen? Das Erdmagnetfeld ist nicht homogen. Eisenteile im Raum, im Patienten oder in den Wänden (Stahlbeton!) machen das Magnetfeld inhomogen. Welcher physikalische Effekt wird bei der MRT ausgenutzt? Die Kerne der Wasserstoffatome (also die Protonen) benehmen sich wie Stabmagnete, die permanent um ihre Längsachse rotieren. Statt winziger rotierender Stabmagnet sagt man einfach Spin. Man zeichnet sie als Pfeile mit einer Spitze am Nordpol (s. Abb.). Mathematisch sind es Vektoren! Wenn man die Spins dazu bringt, dass sie um eine Querachse rotieren (s. Abb.), senden sie ein Radiosignal aus, das man mit einer Antenne messen kann. Was machen die Spins in einem Magnetfeld? Sie richten sich zum Teil parallel zum Feld aus. Das dauert einige Sekunden. Sie führen eine Präzessionsbewegung aus. In welche Richtung zeigt das Magnetfeld? Im Tomographen: entlang der Achse, also caudal cranial (waagerecht). In physikalischen Skizzen: nach oben (s. folgende Abbildung!) Wie kann man sich die Präzession vorstellen? Frequenz? B r Der Fuß des Spins steht fest, die Spitze saust mit der Larmorfrequenz im Kreis herum. Der Spin bildet dabei mit dem Magnetfeld B r den Winkel φ. Wie groß ist die Larmorfrequenz? Wovon hängt sie ab? Sie ist proportional zum Magnetfeld (!!): bei einem Magnetfeld von 1 T beträgt sie ca. 42 MHz. Wenn sich das Magnetfeld ändert, ändert sich auch die Präzessionsfrequenz. Auch die chemische Umgebung eines Wasserstoffkerns (Nachbaratome im Molekül) verändert seine Präzessionsfrequenz. φ
MRT 2 25.07.08 Wie groß ist der Winkel? Zu Beginn einer MRT Aufnahme ist der Winkel fast null die Spins stehen fast parallel zum Magnetfeld und geben daher keine Radiosignale ab. (Im Bild oben ist φ viel zu groß dargestellt,sonst würde man nichts erkennen!) Wie bringt man die Spins dazu, sich querzustellen und ein Radiosignal auszusenden? Man strahlt von der Seite ein kurzes Radiosignal ( Impuls ) ein. Wenn dessen Frequenz haargenau der Larmorfrequenz entspricht, kippen die Spins (ohne dabei die Präzessionsbewegung zu unterbrechen!) allmählich nach unten; der Winkel φ wird immer größer. Wenn man das Radiosignal abschaltet, sobald φ = 90 ist ( 90 - Impuls ), liegen die Spins flach, rotieren in einer Ebene (wie in der ersten Abbildung) und senden dabei ein Radiosignal aus. Was bewirkt ein 180 - Impuls? Stell Dir vor, dass die Spins während des 180 - Pulses in einem Eisblock eingefroren sind. Man strahlt den Impuls aus irgendeiner Richtung ein. Um diese Richtung als Drehachse dreht sich dann der Eisblock mitsamt den Spins darin, und zwar um 180. Was passiert, wenn man nach oben ausgerichtete Spins einem 180 - Impuls aussetzt? Sie zeigen danach alle nach unten, also entgegen der Feldrichtung. Was versteht man unter Längsmagnetisierung und Quermagnetisierung? M Z Quermagnetisierung ist die Komponente des Vektors in der XY Ebene. Welche der beiden Komponenten strahlt ein Signal aus? Nur die Quermagnetisierung trägt zum Signal bei. Welche beiden physikalischen Größen werden im MRT als Grautonbilder codiert? T 1 die Spin-Gitter-Relaxationszeit oder Längsrelaxationszeit und T 2 die Spin-Spin-Relaxationszeit, Transversale Relaxationszeit oder Querrelaxationszeit. Was beschreibt die Spin Gitter Relaxationszeit? Nach einem 90 - Impuls liegen alle Spins in der XY Ebene. Danach richten sie sich wieder auf, bis sie schließlich nach ein paar Sekunden wieder alle nach oben zeigen. Diesen Vorgang nennt man Relaxation. Die Relaxation erfolgt erst schnell, dann immer langsamer: die Längsmagnetisierung wächst gemäß einer e Funktion: t / T M ( ) (1 1 Z t = M0 e ) Nach der Zeit T 1 erreicht sie den Wert von 63%. Die Quermagnetisierung nimmt dabei entsprechend ab! Je kürzer T 1, desto schneller die Relaxation. M XY Alle Spins zusammengenommen wirken wie ein einziger Magnet. Man kann diesen Magnet als Vektorpfeil zeichnen. Die Längsmagnetisierung M Z ist dann die Komponente des Spins in Z Richtung (also in Richtung des Magnetfeldes), die
MRT Was beschreibt die Spin Spin Relaxationszeit? 3 25.07.08 Sobald sie die anderen wieder eingeholt haben, sind alle Spins wieder beisammen und das Signal (diesmal Spin Echo genannt) ist wieder da! Das Spiel kann man so oft wiederholen, wie man will. Sobald die Spins wieder auffächern, werden sie mit einem neuen 180 - Impuls wieder eingesammelt. Was versteht man unter Echozeit TE? Die Zeit bis zwischen 90 - Impuls und dem Auftreten des Echos heißt Echozeit TE. Nach einem 90 - Impuls liegen alle Spins flach, rotieren mit der Larmorfrequenz in der XY Ebene und senden dabei ein Signal aus. Die Quermagnetisierung ist maximal. Weil die Protonen in verschiedenen Molekülen verschiedene Präzessionsfrequenzen haben, rotieren die Spins verschieden schnell und fächern daher allmählich auf: die Quermagnetisierung nimmt ab ( Dephasierung ) Diese Abnahme folgt einer e Funktion: M XY (t) = M 0 e t / T2 ; nach der Zeit T2 sind nur noch 37% der ursprünglichen Quermagnetisierung vorhanden. Je kürzer T2, desto schneller die Relaxation. Wodurch wird die Querrelaxation zusätzlich beschleunigt? Wenn das Magnetfeld ungleichmäßig ( inhomogen ) ist, präzedieren die Spins schon aus diesem Grund verschieden schnell. Man misst dann ein zu kurzes T2*. Wie kann man Inhomogenitäten des Feldes kompensieren? Was ist die Repetitionszeit TR und was hat sie mit der Messung von T1 zu tun? Man beginnt die Messung von T1 mit einem 180 - Impuls, der alle Spins nach unten klappt. Danach fangen die Spins an, sich langsam wieder aufzurichten. Nach einer Wartezeit wird ein 90 - Impuls eingestrahlt, der alle Spins, die noch unten sind, in die XY Ebene befördert, wo sie sich durch ihr Signal verraten. Dieser Impuls wird dann in regelmäßigen Abständen von TR wiederholt. Auf diese Weise kann man T1 bestimmen. Was ist eine Impulssequenz? Eine Abfolge von Impulsen, die das System der Spins geeignet manipuliert. Das Spin Echo Verfahren ist ein Beispiel für eine Impuls - Sequenz : 90-180 - 180 -... Die Messung von T1 ist ein anderes Beispiel: 180... 90... 90... Bildkontrast Wovon hängt die Signalstärke ab? Die Signalstärke hängt von drei Gewebe Eigenschaften ( Gewebeparametern ) ab: Protonendichte T1 Relaxationszeit T2 Relaxationszeit. Welche typischen Relaxationszeiten haben verschiedene Gewebe? Sobald die Spins auffächern, strahlt man entlang der y - Achse einen 180 - Impuls ein. Der gesamte Spinfächer rotiert dann um die y Achse und klappt auf die andere Seite. Die schnellsten Spins werden dadurch zu Nachzüglern. Gewebe Fett Leber Niere Milz Weiße Substanz Muskel Herz Graue Masse Wasser T1 [ms] 240 420 590 680 680 730 750 810 2500 Offenbar ist T2 immer kürzer als T1. T2 [ms] 84 43 58 62 92 47 57 101 1400
MRT 4 25.07.08 Warum kann man Gefäße im MRT besonders gur darstellen ( MRT Angiographie )? Weil die Relaxationszeiten für Wasser (besonders T 2 ) extrem hoch sind und sich von denen der Gewebe deutlich unterscheiden. Ortscodierung Woher weiß der Rechner, aus welchem Voxel die Signale kommen? Was wird im MRT Bild dargestellt? Die Relaxationszeiten T 1 und T 2 und die Protonendichte werden als Grautonbilder codiert. Was bedeutet Gewichtung des MTR Bildes? Da beide Relaxationsmechanismen zur Abnahme des Signals führen, kann man sie nicht vollständig voneinander trennen. Man kann aber wählen, ob hauptsächlich T 1 oder T 2 oder die Protonendichte dargestellt werden soll ( Gewichtung ). Durch welche Parameter kann man die Gewichtung einstellen? Echozeit T E Repetitionszeit T R Wie muss man T E und T R wählen, um eine bestimmte Gewichtung zu erreichen? T R ms 2500 PD -W T2 -W 800 400 T1 -W 30 70 150 T E /ms Beispiele: für Protonendichte gewichtete Bilder muss man T R größer als 2500 ms wählen und T E kleiner als 30 ms. Den besten T 1 Kontrast bekommt man bei T R Werten zwischen 400... 800 ms und für T E < 30 ms. Wie werden die Gewebeparameter in Graustufen umgesetzt? T 1 : je länger, desto dunkler; also Wasser am dunkelsten, Gewebe mittel, Fett hell. T 2 : je länger, desto heller; also Wasser extrem hell, Fett hell, Gewebe mittel. Protonendichte: je dichter, desto heller; also Wasser, Gewebe und Fett hell, Knochen dunkel (weil sie kaum Protonen enthalten). Der Kontrast ist also genau andersherum, wie beim Röntgenbild. Für jede Koordinatenachse gibt es eine andere Codierungtechnik: der Wert auf der Z Achse (caudal cranial) wird durch die Schichtanwahl vorgegeben, der Wert auf der X Achse (rechts links) wird durch Frequenzcodierung markiert, der Wert auf der Y Achse (a.p.) wird durch Phasencodierung markiert. Wie funktioniert die Schichtanwahl? Man überlagert dem homogenen Magnetfeld ein sehr schwaches Feld, das zum Kopf hin immer stärker wird (ein Gradientenfeld ). Die Larmorfrequenz der Spins nimmt dann zum Kopf hin ebenfalls zu. Der 90 - Impuls erfasst nur diejenigen Spins, welche die passende Larmorfrequenz haben; alle anderen reagieren erst gar nicht. Das Signal kann daher nur aus einer ganz bestimmten transversal orientierten Schicht kommen.
MRT 5 25.07.08 Durch Ändern des Gradientenfeldes kann man so eine bestimmte Schicht vorwählen. Wie funktioniert die Frequenzcodierung? Nach Einstrahlung des 90 - Impulses (wenn die Schicht also bereits ausgewählt ist) wird das Gradientenfeld in Z Richtung abgeschaltet und dafür eins in X Richtung eingeschaltet. Die Spins rotieren jetzt je nach X Position verschieden schnell. Das Signal enthält daher verschiedene Frequenzanteile, die der Rechner dann analysiert. Mathematisch gesehen ist diese Analyse eine Fourier Transformation. Wie funktioniert die Phasencodierung? Wenn man in Y Richtung ganz kurz ein weiteres Gradientenfeld anlegt, bekommen die anterioren Spins vor den posterioren einen Vorsprung ( Phasenverschiebung ). Dadurch wird das Signal charakteristisch verändert. Der Rechner kann daraufhin herausbekommen, aus welchem Voxel welches Signal stammt. Was ist allgemein eine Sequenz? Eine System aus Impulssequenzen (s.o.) und verschiedenen Gradientenfeldern, die zu passenden Zeiten an- und abgeschaltet werden. Welche gängigen Sequenzen gibt es? Eigenschaften? Bezeichnung Eigenschaften Spin- Echo SE langsam, aber gute T 2 Bilder Schnelle Spin Echos schneller, immer noch TSE ( Turbo..), FSE gute Bilder ( Flash..) Gradienten - Echos GE, GRE, SPGR, schnell, daher gut für 3 D Aufnahmen, aber - anfällig für Artefakte - schlechte Bilder Aus welchen Komponenten setzt sich ein MRT zusammen? Magnet (supraleitend, mit Heliumkühlung); darf nur im Notfall mit dem Notknopf ausgeschaltet werden, weil es lange dauert und sehr teuer ist, ihn danach wieder in Betrieb zu nehmen. Gradientenspulen (je schneller die Gradientenfelder geschaltet werden können, umso besser) Sende und Empfangsspulen für die Impulssequenzen. Weitere Baugruppen: Bildrechner, Hochfrequenzgenerator, Bedienkonsole. Kontrastmittel Welche Stoffe dienen bei der MRT als Kontrastmittel? Paramagnetische Stoffe, die das Magnetfeld stark beeinflussen, hauptsächlich Moleküle, in die das Metallatom Gadolinium (Gd) eingebaut ist. Wie wirken Kontrastmittel bei der MRT? Sie verkürzen T 1 und erscheinen daher im T 1 - gewichteten Bild als helle Stellen. In welcher Verbindung wird Gd verabreicht? Warum? Als Gd DTPA weil das Metall giftig ist, durch Bindung an das Molekül aber ungiftig wird. Es ist sogar bei Niereninsuffizienz viel besser verträglich, als Röntgen KM. Standarddosis? Umrechnung auf ml Magnevist? 0,2 mmol/kg Körpergewicht. Umrechnung: Körpergewicht 2/10 ; bei 70 kg braucht man z.b. 70 2/10 = 14 ml. Sicherheit Worauf sind die meisten Unfälle mit MRT zurückzuführen? Auf Eisenteile, die mit ungeheurer Kraft in die Spule gerissen werden. Das Magnetfeld ist immer eingeschaltet! Auch nachts und bei Stromausfall! Was darf nicht in den Tomographen geraten? Elektronische Geräte (Herzschrittmacher!) Metalle (Implantate, Insulinpumpen, Tatoos...) Magnetisch empfindliche Gegenstände (Scheckkarten) Welche Nebenwirkungen hat eine MRT Untersuchung? Muskelzucken, Sehen von Blitzen möglich in sich geschlossene elektrische Stromkreise (Ringe, Piercingteile,) werden durch induzierte Ströme stark erhitzt: Verbrennungen sind möglich.