Kernspintomographie

1
Kernspintomographie

• Teil I Grundprinzip
• Teil II Gerätetechnik

2
Kernspintomographie

• Teil I Grundprinzip
• Teil II Gerätetechnik

3
Kernspintomographie

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

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Kernspintomographie

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

5
Kernspintomographie

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

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Der Spin

• Das einfache Atommodell
• Atomkern bestehend aus Protonen und Neutronen,
  umgeben von Elektronen

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Der Spin

• Modellvorstellung
• Proton näher betrachtet es besitzt einen Spin
• Vergleich Drall einer Billardkugel

• Richtung rechte Hand-Regel
• Spin ist Maß für den quantenmechanischen Zustand
  eines Kernteilchens
• Spin ist nie Null
• Spin kann lediglich in Ausrichtung variieren

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Der Spin

• Weitere Modellvorstellung
• Verhalten wie Stabmagnet

• Der Kernspin erzeugt eine magnetische Kraft
• Elementarmagnet
• Vorraussetzung für Kernresonanzmessungen

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Der Spin

• Der Spin von Protonen und Neutronen

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

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Spins im Tomographen

• Betrachtung von kleinen Volumenelementen Voxel

• Die Spinvektoren räumlich addiert ergeben die
  Magnetisierung M
• bei keinem angelegten Feld ist M 0, da sich die
  Spins im statistischen Mittel aufheben

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Spins im Tomographen

• Spins im H-Feld

• Parallele und antiparallele Ausrichtung der
  Spins,
• M ist sehr schwach
• M ist ortsabhängig und ungleich 0
• verschiedene Werte M macht man sich zu Nutze

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Spins im Tomographen
M 0
H ? 0
H 0
Überschussspins

• Energieniveaus der Spins
• Magnetisierung durch Energieaufspaltung
• Gesamtenergie sinkt
• es herrscht dynamisches Gleichgewicht
• Bilanz
• Bei einer Feldstärke von 1T beträgt der
  Überschussspin-Anteil 6ppm
• Messbare Magnetisierung resultiert aus der
  grossen Menge an Wasser im menschlichen Körper,
  Vorteil für MR

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

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Spinpräzession

• Der Spin beschreibt eine Kegelbewegung in
  Richtung des angelegten Magnetfeldes

? Larmorfrequenz ? gyromagnetische Verhältnis
der Atomkerne
Kern ? MHz/T
1H 42,6
31P 17,2
19F 40,0
13C 10,8
2
meist wird ? f0/ B angegeben
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Spinpräzession

• Präzessionsbewegungen phasenverschoben
• Vektorsumme 0
• keine Magnetisierung in xy-Ebene

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

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MR-Signal

• HF-Puls als Anregung
• HF-Puls als zirkular polarisierte Welle
  verursacht zusätzlich ein rotierendes Magnetfeld
• ?HF-Puls ?Spin Resonanz, Magnetisierung
  kippt

• Flipwinkel
• Je grösser die Energie des HF-Pulses ist, desto
  weiter kippen die Spins

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MR-Signal

• Die zwei Komponenten der Magnetisierung
• Längsmagnetisierung Mz
• Quermagnetisierung Mxy

21
MR-Signal

• Annahme 90 HF-Puls
• Spins in Phase
• Resultierendes Mxy, das mit Larmorfrequenz
  rotiert

• Dynamoprinzip
• Rotierendes Mxy kann Strom in eine Spule
  induzieren
• Sensorik

• FID Free Induction Delay
• Abfallendes MR-Signal

1
22

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

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Spin-Gitter-Relaxation

• Längsrelaxation
• Exponentieller Aufbau des ursprünglichen Zustands
  mit Zeitkonstante T1
• Mxy relaxiert in ursprüngliches Mz
• Wechselwirkung mit benachbarten Atomen
• T1 ist gewebeabhängig
• T1 Unterschiede als Kontrast sichtbar

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Spin-Spin-Relaxation

• Querrelaxation
• Wechselwirkung mit benachbarten Spins
• exponentieller Zerfall der Quermagnetisierung
  Mxy, allerdings mit Zeitkonstante T2
• auch T2 ist gewebeabhängig, T2 Unterschiede als
  Kontrast sichtbar
• es gilt T1 gt T2

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Spin-Echo

• Trick gegen Querrelaxation
• nach 90-Puls einen 180-Puls nachschicken
• Phasenlage drehen Vektoren spiegeln
• Rotationsrichtung beibehalten
• kurzzeitig sind Vektoren der Quermagnetisierung
  nochmals in Phase (Bild 3 langsam, 1 schnell)

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

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Grundlagen der Tomographie

• Durch HF-Pulse wurde ortsabhängiges Mxy erzeugt

• Dieses Mxy kann als MR-Signal gemessen werden

• zur Bilderstellung ist eine Ortskodierung der
  Signale nötig

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Selektive Anregung

• HF-Puls und Gz-Gradientenfeld wird eingeschaltet
• durch Gz-Gradientenfeld werden Schichten auf
  verschiedene Lamorfrequenzen gebracht
• eine Schicht reagiert sensibel auf HF-Puls
• Selektion

3
29
Phasenkodierung

• Ortsinformation wird über die Phase kodiert
• kurzzeitiges Anlegen eines Gradienten z. B. in
  y-Richtung
• Spins erfahren unterschiedliche Beschleunigung
• Phasenunterschied prägt sich ihnen entsprechend
  ihrer Lage auf der y-Achse ein

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Frequenzkodierung

• Ortsinformation wird über die Frequenz kodiert
• Anlegen eines Gradienten während des
  Auslesevorganges z. B. in x-Richtung
• je nach Lage in x-Richtung rotieren die Spins
  schneller oder langsamer

y
z
x
3
31
Zusammenfassung Teil I

• Spin-Eigenschaften
• Verhalten der Spins im Magnetfeld
• Spins in Resonanz mit HF-Puls
• Entstehung des MR-Signals
• Effekte Relaxation und Echo
• Ortskodierung der Signale

Stefan Paulus, Juli 2004
32
Kernspintomographie (MR)

• Teil I Grundprinzip
• Teil II Gerätetechnik

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MR-Gerätetechnik

• Systembauweisen und Komponenten
• Die Spulensysteme
• Die Magnettypen
• Supraleitende Magneten
• Das Gradientensystem
• Das Hochfrequenzsystem
• Vom Signal zum Bild
• Die Kontraste (T1- oder T2-Gewichtung)
• Das Computersystem
• Unterschiede MR CT
• Zusammenfassung

34
MR-Untersuchungsraum
www.siemens.de
35
Systembauweisen von Tomographen

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

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Die MR-Systemkomponenten
37
Spulensysteme
38
Magnetfeldtypen

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

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Supraleitende Magnete

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

40
Effekte supraleitender Magnete

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

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Beseitigen von Inhomogenitäten

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

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Das Gradientensystem

• Drei Spulenanordnungen fürdrei Raumrichtungen
  (x, y, z)
• Angetrieben durch Gradientenverstärker
• schalten bis zu 500 A in extrem kurzer Zeit ( gt
  500 kA / s)
• Starke mechanische Kräfte (bekannte
  Klopfgeräusche)
• Leistungsfähigkeit wird bestimmt durch SR
• SR (Slew Rate) wird charakterisiert durch
  maximale Amplitude und minimale Anstiegszeit
  (typisch 50 200 Ts/m)

43
Das Hochfrequenz-System

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

44
HF-Sende- Empfangsverstärker

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

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Wiederholung Vom Signal zum Bild
B00Gzz
Selektive Anregung ?0 ? (B00 Gzz)
46
Die Pulssequenz
47
Kodierung und Farbraum
Phasenkodierung ?p -?GyyTy
48
Rohdaten und Bilddaten
K-Raum
Bild- Raum
49
Kontraste

• TR Repetitionszeit(Quermagnetisierung)
• TE Echozeit(Selektive Anregung)
• T1-Kontrast
• TR kurz, TE kurz
• T2-Kontrast
• TR lang, TE lang
• Protonendichtek.
• TR lang, TE kurz

50
Das Computersystem

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

51
Software (Linuxbasiert)
52
Unterschiede MR - CT

• Computertomograph
• Ältere Technologie
• Röntgenstrahlen-belastung
• Gute Darstellung von Knochen
• Relativ günstig
• Rasche Untersuchung
• Auflösung 0,1 mm
• Angiographie (erfordert Kontrastmittel)

• Magnetresonanz
• Neuere Technologie
• Keine Strahlenbelastung
• Bessere Darstellung von Gewebe
• Kostenintensiver
• Zeitintensiver
• Auflösung 0,5 mm
• Funktionelle Angio-graphie (ohne EKG)

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Zusammenfassung Teil II

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

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Quellenverzeichnis

• Bildgebende Verfahren in der MedizinOlaf Dössel,
  Springer Verlag Berlin 2000
• Bildgebende Systeme für die medizinische
  DiagnostikHeinz Morneburg, Publicis MCD Verlag,
  Erlangen 1995
• Magnete, Spins und ResonanzenSiemens AG 2003
• 25 Jahre Innovationen MR bei SiemensSiemens AG
  2003
• www.siemens.de

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• 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