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MRT-GRUNDLAGEN Dr. Felix Breuer

64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum, Fürth, 07.03.2017

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INHALT

NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Grundlagen

Signalentstehung/Detektion

NMR Bildgebung

Schichtselektion

Räumliche Kodierung 2D/3D

Sequenztypen

Kontraste

Relaxationszeiten

Sequenzparameter

Beispielanwendungen

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WAS WIRD BENÖTIGT?

Kernspins (Protonen, H) / Magnetisches Moment

Mensch besteht zu ca 65% H20,

Sehr starkes, statisches, möglichst homogenes Magnetfeld (B0-Feld) / Magnetisierung

Klinisch: 1.5 – 7T

Elektromagnetisches (HF) Wechselfeld (B1-Feld) / Signalanregung

HF Spule / Senkrecht auf B0

Magnetfeldgradienten / Signalmodulation

In alle Raumrichtungen

Empfänger / Signaldetektion

HF Spule(n)

Computer / Signalverabeitung

~1024

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Das magnetische Moment eines Spins präzediert um die Achse des angelegten statischen Magnetfeldes. Analog: Kreisel im Schwerefeld der Erde

0 = g B0

0

„Ein Spin“

B0

g gyromagnetisches Verhältnis gH 58 MHz/Tesla

e

Magnetisches Moment

KERNSPINS IM MAGNETFELD

g gyromagnetisches Verhältnis gH 58 MHz/Tesla

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0 = g B0

0

T

BMM

i

i0

0

0 B0

„Ein (Kern-) Spin (Proton)“ „Viele Spins“

B0

g gyromagnetisches Verhältnis gH 58 MHz/Tesla

e

KERNSPINS IM MAGNETFELD Makroskopische Magnetisierung entlang B0 (vereinfacht)

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Resonanzprinzip & HF-Feld

HF-Spule

Transmitter

Elektromagnetisches

Wechselfeld für 0.5-2ms

0 = g B0 Drehimpulserhaltung: Magnetisierung wird in die transversalebene ausgelenkt

NMR - ANREGUNG

B0

B1

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HF-Welle mit Larmorfrequenz

HF-Spule

Empfänger

SIGNAL DETEKTION

Physikalisches Prinzip:

Faraday’sches Induktionsgesetz

Änderung des Magnetischen Flusses induziert Spannung in einer Spule (Messsignal)

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EIN EXPERIMENT AUS DER SCHULE Faraday’sches Induktionsgesetz

Spule Magnet Oszilloskop

Induktionssignal:

hier: Das Signal zerfällt mit der Zeit aufgrund von Reibung

In der NMR: Aufgrund von Relaxationsprozessen

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NACH ANREGUNG: SIGNALABFALL (T2* RELAXATION)

T2 : Spindephasierung aufgrund von WW zwischen Spins

Gewebespezifisch, irreversibel

T2*: zusätzliche Dephasierung aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten

reversibel mittels Spinecho

BTT

g2

*

2

11B = Magnetfeldinhomogenitäten

T2 T2*

M⊥

𝑀⊥(𝑡) = 𝑀0 ∙ 𝑒−𝑡𝑇2∗

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T2* RELAXATION

T2*: Magnetfeldinhomogenitäten verursachen Signalauslöschung.

mit Metallclip

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SPINECHO

Zeit t

90° 180°

TE/2 TE/2 TE

𝑇2 𝑇2∗

System rotiert mit ω0

B

BB

g

g

0

0 )(

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T2* RELAXATION

T2*: Magnetfeldinhomogenitäten verursachen Signalauslöschung.

mit Metallclip Ohne Metallclip

(mit SpinEcho)

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ZUSÄTZLICH ZU T2: T1 - RELAXATION

T1: Rückkehr der Magnetisierung ins Thermische Gleichgewicht (Spin Gitter WW)

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ZWISCHENSTAND

Kernspins im statischen Magnetfeld erzeugen Magnetisierung

Auslenkung der Magnetisierung aus B-Feld Richtung mittels HF-Anregung und Präzession/Rotation um Magnetfeldachse

Signalempfang mittels eines HF-Empfängers über magnetische Induktion

Signal relaxiert mit T1/T2(*)

Aber:

? Gemessenes Zeit-Signal kommt von überall aus

der Probe

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ORTSKODIERUNG:

Larmorfrequenz ortsabhängig Machen: Magnetfeldgradienten

!!

http://nobelprize.org

Paul Lauterbur

Nobelpreis für Medizin:

2003

1929 - 2007

zGBz z 0)( g

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SPINS IM HOMOGENEN MAGNETFELD

Larmorfrequenz:

0

B

Ort z

B0

00 B g

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SPINS & MAGNETFELDGRADIENTEN

Larmorfrequenz:

0

B

Ort z

B0

zGBz z 0)( g

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Anregungspuls (B1-Feld) & Magnetfeldgradient

SCHICHTAUSWAHL

Zeit t

0 Frequenz off

Gz

HF

Zeit t

0

B

Ort z

B0 z

zGBz z 0)( g

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Anregungspuls (B1-Feld) & Magnetfeldgradient

SCHICHTAUSWAHL

Zeit t

0 Frequenz off

0 Ort z 0z

z

Gz

HF

Zeit t

Ort t

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SCHICHTFÜHRUNG

Axial Coronal Sagittal

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?

ORTSKODIERUNG

Von der Schichtauswahl zum Schnittbild …

http://lernundenter.com

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ORTSKODIERUNG

Keine „direkte“ Messung möglich Umweg über k-Raum

Objekt k-Raum

Messdaten

http://www.magnussa.com

BILD

K-Raum: NMR-Signal moduliert mit Gradientenschaltungen in alle (hier 2D)

Raumrichtungen

MRT 2D IFT

HF-Pulse & Gradientenschaltungen

Frequenzanalyse am Computer

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k-Raum

ky

kx

K-RAUM – DAS PRINZIP – 2D

„Ablaufen“ des k-Raums mit Magnetfeldgradienten

Schichtauswahl

HF

Gz

Gy

Gx

MRT Sequenz

Phasenkodierung Frequenzkodierung Frequenzkodierung

Phasenkodie

rung

Signalakquisition

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K-RAUM – DAS PRINZIP – 3D

„Ablaufen“ des k-Raums mit Magnetfeldgradienten

Volumenauswahl

HF

Gz

Gy

Gx

MRT Sequenz

Phasenkodierung

Signalakquisition

Frequenzkodierung

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K-RAUM – DAS PRINZIP – 3D

„Ablaufen“ des k-Raums mit Magnetfeldgradienten

Volumenauswahl

HF

Gz

Gy

Gx

MRT Sequenz

Phasenkodierung

Signalakquisition

Frequenzkodierung

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SEQUENZPARAMETER

Meßzeit - Relaxation – Kontrast

HF

Gz

Gy

Gx

TR

TE 90°

𝑇 = 𝑁 ∙ 𝑇𝑅

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SEQUENZPARAMETER

Meßzeit - Relaxation – Kontrast

HF

Gz

Gy

Gx

TR

TE 90°

𝑇 = 𝑁 ∙ 𝑇𝑅

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SEQUENZPARAMETER

Messzeit - Relaxation – Kontrast

Während TR: Magnetiserung relaxiert mit T1

Nach Anregung, Rückkehr in den Ursprungszustand

Während TE: Magnetisierung relaxiert mit T2(*)

Nach Anregung: Meßsignal geht verloren (Signal dephasiert)

𝑆(𝑇𝐸) = 𝑆0 ∙ 𝑒−𝑇𝐸 𝑇2(∗)

𝑆(𝑇𝑅) = 𝑀0 ∙ 1 − 𝑒−𝑇𝑅 𝑇1

90°

90°

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KONSEQUENZ VON RELAXATION

Kontrast Generierung (nativ)

Limitationen

(Ultra-) kurze T2 -Relaxation: sehr schneller Signalabfall

Festkörper, Zähne, Knochen, Bänder, Knorpel, Lunge, T2(*)<1-2ms

Lange T1-Relaxation: (0.5-5s) Signalsättigung, lange Messzeiten

SD-Kontrast T1-Kontrast T2-Kontrast

Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert

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KONSEQUENZ VON RELAXATION

Kontrast Generierung (nach Kontrastmittel)

Limitationen

(Ultra-) Kurze T2 -Relaxation: sehr schneller Signalabfall

Festkörper (Zähne, Knochen, Bänder, Knorpel, T2<<1-2ms)

Lange T1-Relaxation: Signalsättigung, lange Messzeiten

SD-Kontrast T1-Kontrast T2-Kontrast

Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert Quelle: MR Image Expert

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MRT AN LEBENSMITTELN

Salami Wasser Fett

Pfirsich Lagerschaden

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ZEITAUFGELÖSTE MR-BILDGEBUNG

Reifeprüfung (Beispiel: Ananas)

Quelle: Heshal Smith Laboratory, England

Unreif Reif

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DIFFUSIONSPROZESSE

Beispiel: Eindringen von Wasser in Haut

Ohne Gel

Mit Gel

Auftragen von Gel

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GESCHWINDIGKEITSMESSUNG

Quantitative Geschwindigkeitsmessung S

tatisches W

asser

Flie

ßendes W

asser

Messaufbau Geschwindigkeitsverteilung

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GESCHWINDIGKEITSMESSUNG

Quantitative Geschwindigkeitsmessung

Quelle: Heshal Smith Laboratory, England

Cartridge-Filter Quantitatives Flussbild

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GESCHWINDIGKEITSMESSUNG

Darstellung von Transportphänomenen

Konvektionszellen bei Erwärmung

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MRT AN KUNSTSTOFFEN

Konventionell unsichtbar

Aber: Sichtbar mit speziellen Messmethoden (UTE/zTE)

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ZUSAMMENFASSUNG

NMR – Signal

Homogenes statisches starkes Magnetfeld (B0-Feld 1,5T – 7T )

HF – Anregung (B1-Wechselfeld Larmorfrequenz)

Empfang über magnetische Induktion (Larmorfrequenz)

Ortskodierung & Schichtselektion

Magnetfeldgradienten (Kodierung mittels Frequenz/Phase)

Bildkontrast

Spindichte & Relaxationszeiten (SD,T1,T2,T2*)

Sequenz / Sequenzparameter (SE/GE – TE/TR)

Darstellung von Morphologie und Funktion

Medizinische Anwendungen

Industrielle Anwendungen

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DANKE

Literatur:

Wie funktioniert MRI? Eine Einführung in Physik und Funktionsweise der Magnetresonanzbildgebung, Borut Marincek, Victor D. Köchli, Dominik Weishaupt

Magnetic Resonance Imaging: Phys ical Principles and Sequence Design, 2nd Edition: Robert W. Brown, Y.-C. Norman Cheng, E. Mark Haacke, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan

The Basics of MRI, Joseph P. Hornak, Ph.D. https://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/

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