Kernspintomographie r Teil I Grundprinzip r Teil II

Kernspintomographie r Teil I Grundprinzip r Teil II Gerätetechnik

Kernspintomographie r Teil I Grundprinzip r Teil II Gerätetechnik

Kernspintomographie r Einleitung r Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung r Spins im Tomograph r Modellverfeinerung r Entstehung des MR-Signals r Spin-Relaxation und Spin-Echo r Grundlagen der Tomographie r Zusammenfassung r Quellenangaben

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Kernspintomographie r Magnetresonanztomographie r H-NMR ¦ Funktionsprinzip: Ausnutzen der charakteristischen Eigenschaften von Protonen und Neutronen: Spin und seine magnetischen Eigenschaften ¦ erste Anwendung: seit 1980 sind die ersten klinischen Geräte im Einsatz, entdeckt wurde der Effekt 1946 von Bloch und Purcell

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Der Spin r Das einfache Atommodell Elektronen Atomkern ¦ Atomkern [1] bestehend aus Protonen und Neutronen, umgeben von Elektronen

Der Spin r Modellvorstellung ðProton näher betrachtet: es besitzt einen Spin ðVergleich: Drall einer Billardkugel [1] ðRichtung: rechte Hand-Regel ðSpin ist Maß für den quantenmechanischen Zustand eines Kernteilchens ðSpin ist nie Null ðSpin kann lediglich in Ausrichtung variieren

Der Spin ¦ Weitere Modellvorstellung: ðVerhalten wie Stabmagnet [1] ðDer Kernspin erzeugt eine magnetische Kraft ðElementarmagnet ðVorraussetzung für Kernresonanzmessungen

Der Spin r Der Spin von Protonen und Neutronen ðAtomkerne mit gerader Ordnungs- und Massenzahl ðmagnetisch neutral ðAtomkerne mit ungerader Ordnungs- und/oder Massenzahl ðresultierender Kernspin, magnetresonanzfähig [1] Beispiel: 136 C mit 6 Protonen und 7 Neutronen 2/3 der natürlichen Isotope sind magnetresonanzfähig

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Spins im Tomographen r Betrachtung von kleinen Volumenelementen: „Voxel“ ðDie Spinvektoren räumlich addiert ergeben die Magnetisierung M ðbei keinem angelegten Feld ist M = 0, da sich die Spins im statistischen Mittel aufheben [1]

Spins im Tomographen r Spins im H-Feld ðParallele und antiparallele Ausrichtung der Spins, ðM ist sehr schwach ðM ist ortsabhängig und ungleich 0 ðverschiedene Werte M macht man sich zu Nutze [1] H

Spins im Tomographen M=0 Überschussspins. H H=0 ¦ Energieniveaus ≠ 0 der Spins ð Magnetisierung durch Energieaufspaltung ð Gesamtenergie sinkt ð es herrscht dynamisches Gleichgewicht ¦ Bilanz ð Bei einer Feldstärke von 1 T beträgt der Überschussspin. Anteil 6 ppm ð Messbare Magnetisierung resultiert aus der grossen Menge an Wasser im menschlichen Körper, Vorteil für MR

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Spinpräzession r Der Spin beschreibt eine Kegelbewegung in Richtung des angelegten Magnetfeldes z ðPräzessionswinkelge- schwindigkeit M = B = Larmorfrequenz = gyromagnetische Verhältnis der Atomkerne x Kern * [MHz/T] 1 H 42, 6 31 P 17, 2 19 F 40, 0 13 C 10, 8 [2] meist wird * = f / B angegeben 0 H y [1]

Spinpräzession H [1] ðPräzessionsbewegungen ðVektorsumme phasenverschoben =0 ðkeine Magnetisierung in xy-Ebene

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MR-Signal r HF-Puls als Anregung ¦ HF-Puls als zirkular polarisierte Welle verursacht zusätzlich ein rotierendes Magnetfeld ¦ ωHF-Puls = ωSpin Resonanz, Magnetisierung kippt HF-Puls r Flipwinkel ¦ Je grösser die Energie des HF-Pulses ist, desto weiter kippen die Spins [1] H

MR-Signal r Die zwei Komponenten der Magnetisierung ¦ Längsmagnetisierung ¦ Quermagnetisierung Mz Mxy [1] H

MR-Signal r Annahme: 90° HF-Puls ð Spins in Phase ð Resultierendes Mxy, das mit Larmorfrequenz rotiert r H Dynamoprinzip [1] ð Rotierendes Mxy kann Strom in eine Spule induzieren ð Sensorik r FID: Free Induction Delay ð Abfallendes MR-Signal [1]

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Spin-Gitter-Relaxation r Längsrelaxation ð Exponentieller Aufbau des ursprünglichen Zustands mit Zeitkonstante T 1 ð Mxy relaxiert in ursprüngliches Mz ð Wechselwirkung mit benachbarten Atomen ð T 1 ist gewebeabhängig ð T 1 Unterschiede als Kontrast sichtbar Fett Wasser [1]

Spin-Relaxation r Querrelaxation ð Wechselwirkung mit benachbarten Spins ð exponentieller Zerfall der Quermagnetisierung Mxy, allerdings mit Zeitkonstante T 2 ð auch T 2 ist gewebeabhängig, T 2 Unterschiede als Kontrast sichtbar ð es gilt T 1 > T 2 [1] [2]

Spin-Echo r Trick gegen Querrelaxation ð nach 90°-Puls einen 180°-Puls nachschicken ð Phasenlage drehen – Vektoren spiegeln ð Rotationsrichtung beibehalten ð kurzzeitig sind Vektoren der Quermagnetisierung nochmals in Phase (Bild: 3 langsam, 1 schnell) [1] TE = Echozeit [1]

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Grundlagen der Tomographie r Durch HF-Pulse wurde ortsabhängiges Mxy erzeugt r Dieses werden Mxy kann als MR-Signal gemessen r zur Bilderstellung ist eine Ortskodierung der Signale nötig y z x

Selektive Anregung r HF-Puls und Gz-Gradientenfeld wird eingeschaltet ðdurch Gz-Gradientenfeld werden Schichten auf verschiedene Lamorfrequenzen gebracht ðeine Schicht reagiert „sensibel“ auf HF-Puls ð„Selektion“ y ω z x z Gz [3]

Phasenkodierung r Ortsinformation ðkurzzeitiges wird über die Phase kodiert Anlegen eines Gradienten z. B. in y-Richtung ðSpins erfahren unterschiedliche Beschleunigung ðPhasenunterschied prägt sich ihnen entsprechend ihrer Lage auf der y-Achse ein y y z x Gy = 0 Gy ≠ 0 Gy = 0 [3]

Frequenzkodierung r Ortsinformation wird über die Frequenz kodiert ðAnlegen eines Gradienten während des Auslesevorganges z. B. in x-Richtung ðje nach Lage in x-Richtung rotieren die Spins schneller oder langsamer y z x x Gx [3]

Zusammenfassung Teil I r Spin-Eigenschaften r Verhalten der Spins im Magnetfeld r Spins in Resonanz mit HF-Puls r Entstehung des MR-Signals r Effekte: Relaxation und Echo r Ortskodierung der Signale Stefan Paulus, Juli 2004

Kernspintomographie (MR) Teil II Grundprinzip Gerätetechnik

MR-Gerätetechnik r r r Systembauweisen und Komponenten Die Spulensysteme Die Magnettypen Supraleitende Magneten Das Gradientensystem Das Hochfrequenzsystem Vom Signal zum Bild Die Kontraste (T 1 - oder T 2 -Gewichtung) Das Computersystem Unterschiede MR – CT Zusammenfassung

MR-Untersuchungsraum www. siemens. de

Systembauweisen von Tomographen r Systembauweisen ¦ Röhrenförmige Systeme Starkes Magnetfeld mit hoher Homogenität ð Aber: eingeschränkter Raum ð Ganzkörpersystem ð ¦ Offene Systeme (C-Bogen) Bewegungsstudien ð Interventionelle Verfahren ð Geringe Feldstärke und Homogenität ð ¦ Spezialsysteme Untersuchungen an Extremitäten, Gelenken, Proben ð Unterschiedliche Feldstärke ð

Die MR-Systemkomponenten

Spulensysteme

Magnetfeldtypen r Magnettypen ¦ Permanentmagneten, Elektromagneten ð Geeignet für offene Systeme ð Geringe Feldstärken (0, 01 bis 0, 35 T) ð Gewicht bis 80 t ¦ Supraleitende Magnete ð Hohe Feldstärken (0, 5 bis 3, 0 T) ð He muss alle 6 - 60 Monate nachgefüllt werden ð Gewicht etwa 8 t ¦ Ultrahochfeldmagnete ð 7 bis 8 Tesla zu Forschungszwecken

Supraleitende Magnete r Magnetaufbau ¦ Multifilamentdraht 30 Niob-Titan-Fäden mit je Ø 0, 1 mm ð Eingebettet in Kupfermatrix (Ø 2 mm) ð Drahtlänge 10 km bei Wickel-Ø 55 cm ð Stromfluss bis zu 500 A verlustfrei ð ¦ Gekühlt mit flüssigem Helium (4, 2 K = -268, 8 °C) ð Zusätzliche Kühlung des Schirmes auf etwa 20 K (innen) bis 70 K (außen) mithilfe von Kältemaschinen

Effekte supraleitender Magnete r „Aufladen“ ¦ Kurzschlussbrücke im Magneten wird erhitzt Hoher Widerstand ð Stromquelle wird angeschlossen ð Ist die gewünschte Stromstärke erreicht, kann die Heizung abgeschaltet werden ð Magnetspule vollständig supraleitend, Stromquelle entfernen ð r „Quench“ ¦ Kleiner normalleitender Bereich heizt sich auf Nachbarbereiche werden sofort normalleitend ð ohmsche Heizung ð Flüssiges Helium verdampft in Minuten ð

Beseitigen von Inhomogenitäten r Shimmen ¦ Passiver des Hauptfeldes Shim: ð kleine Eisenplatten kompensieren Fertigungs- und Ortspezifische Inhomogenitäten ¦ Aktiver Shim: ð Kleine Shim-Spulen kompensieren interaktiv Störungen des Magnetfelds durch den Patienten selbst (absorbiert bis 500 W Leistung => Umsetzung in Wärme). ð Shimströme werden individuell für eine gewählte Pulssequenz eingestellt und optimiert

Das Gradientensystem r Drei Spulenanordnungen für drei Raumrichtungen (x, y, z) ¦ Angetrieben durch Gradientenverstärker schalten bis zu 500 A in extrem kurzer Zeit ( > 500 k. A / s) ð Starke mechanische Kräfte (bekannte Klopfgeräusche) ð ¦ Leistungsfähigkeit wird bestimmt durch SR ð SR (Slew Rate) wird charakterisiert durch maximale Amplitude und minimale Anstiegszeit (typisch 50 – 200 Ts/m)

Das Hochfrequenz-System r HF Antennen (Spulen) ¦ Körperspule ð ¦ Sonderspulen liegen lokal am Körper ð ¦ ist in das System integriert SNR besser Arrayspulen (IPA) bis zu 16 Spulen gleichzeitig ð CP (Zirkular polarisierte HF-Wellen)

HF-Sende- & Empfangsverstärker r HF-Sendeverstärker ¦ Vorverstärker ð erzeugt Sequenzen von HF-Pulsen (1 - 180 MHz) mit wechselnder Mittenfrequenz und präziser Bandbreite ¦ Sendeverstärker erzeugt erforderliche Leistung r HF-Empfangsverstärker ¦ Sehr rauscharmer analoger Verstärker ¦ Anschließend Digitalisierung

Wiederholung : Vom Signal zum Bild B 00+Gzz Selektive Anregung: ω0 = +γ (B 00 + Gzz)

Die Pulssequenz

Kodierung und Farbraum Phasenkodierung ωp = -γGyy. Ty

Rohdaten und Bilddaten K-Raum Bild. Raum

Kontraste TR = Repetitionszeit (Quermagnetisierung) TE = Echozeit (Selektive Anregung) ¦ T 1 -Kontrast ð ¦ T 2 -Kontrast ð ¦ TR kurz, TE kurz TR lang, TE lang Protonendichtek. ð TR lang, TE kurz

Das Computersystem r Bildrechner ¦ Rekonstruktion mit Hilfe der 2 D-Fourier-Trafo ¦ Hoher Arbeitsspeicher ( > 1 GB RAM) ¦ Ca. 100 Bilder / s bei 256² Bildpunkten r Steuerrechner ¦ Multitaskingfähiges ð Dateneingabe, ¦ Mehrere Userinterface Messablauf, Bilddarstellung schnelle Prozessoren

Software (Linuxbasiert)

Unterschiede MR - CT r Magnetresonanz ¦ Neuere Technologie ¦ Keine Strahlenbelastung ¦ Bessere Darstellung von Gewebe ¦ Kostenintensiver ¦ Zeitintensiver ¦ Auflösung 0, 5 mm ¦ Funktionelle Angiographie (ohne EKG) r Computertomograph ¦ Ältere Technologie ¦ Röntgenstrahlenbelastung ¦ Gute Darstellung von Knochen ¦ Relativ günstig ¦ Rasche Untersuchung ¦ Auflösung 0, 1 mm ¦ Angiographie (erfordert Kontrastmittel)

Zusammenfassung Teil II r Die Magnettypen ¦ r Das Gradientensystem ¦ r In 3 Dimensionen (zur Ortskodierung) Das Hochfrequenzsystem ¦ r Vorwiegend supraleitende Magneten HF-Puls bringt Spinensemble aus dem Gleichgewicht Computersystem ¦ Bildrechner rekonstruiert MR-Bild mithilfe von 2 D-FT

Quellenverzeichnis ð Bildgebende Verfahren in der Medizin Olaf Dössel, Springer Verlag Berlin 2000 ð Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik Heinz Morneburg, Publicis MCD Verlag, Erlangen 1995 ð Magnete, Spins und Resonanzen Siemens AG 2003 ð 25 Jahre Innovationen – MR bei Siemens AG 2003 ð www. siemens. de

Seminar gehalten am 8. Juli 2004 am Lehrstuhl für Sensorik (Prof. Lerch), Tech. Fak. der FAU Erlangen-Nürnberg von Stefan Paulus (Teil I) & Kurt Höller (Teil II) Alle Bilder von Siemens Medical Solutions AG