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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)
© Fraunhofer 48
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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