Einführung in die Grundlagen der Medizinische Physik - Magnetresonanztomographie Dr. phil. nat Lydia Wachsmuth - Imp.uni-erlangen.de
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Einführung in die Grundlagen der
Medizinische Physik
Magnetresonanztomographie
Dr. phil. nat Lydia WachsmuthMagnetresonanztomographie
MR-Tomograph
Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Magnetresonanztomographie (MRT)
2 MagnetresonanztomographieMagnetresonanztomographie
Einführung
Spinphysik
Pulssequenzen
Bildgebung
Signalverhalten
Anwendungsbeispiele
3 MagnetresonanztomographieWarum MRT?
Direkte Darstellung von Weichgewebe
Exzellenter Weichgewebekontrast
Modifikation des Kontrastverhaltens durch
Auswahl der Pulssequenzen und
Aufnahmeparameter
nicht-invasiv
nicht-ionisierend
freie Wahl der
Schnittebene
2D und 3D
Verfahren
T1-Betonung T2-Betonung PD-Betonung
4 MagnetresonanztomographieHistorie • 1946 Entdeckung des Magnetresonanzphänomens durch Felix Bloch und Edward Purcell (1952 Nobelpreis) • bis in die 70er Jahre Weiterentwicklung der NMR v.a. zur chem. Analyse/Strukturaufklärung • 1960 Vladislav Ivanov stellt Patentantrag für ein „Free-precession proton microscope“ • 1971 Raymond Damadian zeigt als erster Unterschiede in den Relaxationseigenschaften zwischen Tumor und gesundem Gewebe • 1973 erstes MR-Bild von Paul Lauterbur mit der Rückprojektion (2003 Nobelpreis zusammen mit Sir Peter Mansfield) • 1975 Einführung der Fourier-Bildrekonstruktion für MRI von Richard Ernst (1991 Nobelpreis) • seit den 80er Jahren zunehmender Einsatz in der klinischen Routine • 1993 Entwicklung des fMRI 5 Magnetresonanztomographie
Wellenlängenbereiche für die Bildgebung
Electromagnetic Radiation frequency (Hz)
1018
ionizing radiation X-ray
(molecular bonds break) 1016
UV
non-ionizing radiation 1014 Visible
(heating)
1012 IR
Microwave
1010
108
RF
106
6 MagnetresonanztomographieEinheiten und Größenordnungen
statisches Magnetfeld B0 [T]
0.2 bis 11 T (Erdmagnetfeld ≈ 5 x 10-5 T)
Hochfrequenz ω0 [MHz]
15 bis 800 MHz
zeitlich veränderliche Gradienten G [mT/m]
15 bis 200 mT/m
7 MagnetresonanztomographieHardware
Imaging System Components
Magnet incl. cooling RF Receiver
Viewing Console
Gradient Power RF Scan Control Unit
System Transmitter
8 MagnetresonanztomographieKernspin
Atomkerne mit einer ungeraden Anzahl Protonen oder Neutronen besitzen
einen mechanischen Eigendrehimpuls.
v 1 1
Kernspin I =+ 2 ,- 2
Periodensystem der Elemente
Die Eigenrotation eines geladenen
Teilchens verursacht ein v
magnetisches Moment µ .
Die Stärke dieses magnetischen
Moments ist eine stoffspezifische
Größe.
Gyromagnetische Konstante γ
9 MagnetresonanztomographieVerwendete „MR-sichtbare“ Kerne
Natürliche Biologische
Element Symbol γ (MHz/T) Häufigkeit* Häufigkeit*
Wasserstoff 1H 99.99 63
42.58
Natrium 23Na 11.26 100 0.041
Bildgebung
Fluor 19F 40.05 100 Spuren
Xenon 129Xe 11.84 26.4 Spuren
Phosphor 31P 17.24 100 0.24
Spektroskopie
Kohlenstoff 13C 10.71 1.11 9.4
* Angaben in %
10 MagnetresonanztomographieKernspins im externen Magnetfeld
Spins richten sich parallel Spins „präzessieren“ um
oder antiparallel zu B0 aus. die Achse von B0.
v v
v
B0
N- antiparallel
B0
ω0
∆E v
µ
N+ parallel
− ∆E / kT
N − / N+ = e v v
ω 0 = γ × B0
Boltzmann-Verteilung
Boltzmann Konstante K = 1.3805x10-23 J/Kelvin Larmor-Frequenz
Energiedifferenz ∆E
Temperatur T (Kelvin)
11 MagnetresonanztomographieThermisches Gleichgewicht
v v
Nettomagnetisierung M0 = Longitudinale Magnetisierung Mz
Konvention: z = Patientenlängsachse
12 MagnetresonanztomographieAnregung der Spins
Durch Absorption elektromagnetischer Strahlung können Übergänge
zwischen Energieniveaus erzeugt werden, wobei:
v
ω0 γ
v
ν =
∆E v
ν = ω 0 =
2π
× B0
h 2π
Plank‘sches Wirkungsquantum h = 6.63x10-34 J s
v
ω0
13 MagnetresonanztomographieAnregung der Spins
z = z´
z v
v ω0
B0
v v
Mz Mz α
v
ω0 y = y´
v y v
Mxy Mxy
x x = x´
Laborsystem Rotierendes Koordinatensystem
14 MagnetresonanztomographieAnregung der Spins
z´ v z´ v
ω0 ω0
90°-Puls 180°-Puls
v v
ω0 90° ω0 180°
v y´ y´
Mxy v
− Mz
x´ v x´ v
B0 B0
N- N-
N+ N+
Gleichbesetzung der Energieniveaus Besetzungsinversion
nur transversale Magnetisieung! nur longitudinale Magnetisierung!
15 MagnetresonanztomographieT1-Relaxation
Longitudinale Relaxation, Spin-Gitter-Relaxation
v gewebeabhängig!
Mz(t )
z´ v
ω0 M0
v −t
Mz v v
Mz(t ) = M 0(1 − e T 1 )
v y´
Mxy t
T1 5 × T1
x´
Mz(t): longitudinale Magnetisierung zur Zeit t
M 0: longitudinale Magnetisierung vor der Anregung
T1: T1-Relaxationszeit (die Zeit, zu der die longitudinale Magnetisierung
wieder 63% ihres Wertes vor der Anregung erreicht hat)
16 MagnetresonanztomographieT2-Relaxation
Transversale Relaxation, Spin-Spin-Relaxation
v gewebeabhängig!
z´ Mxy (t )
M0
v v −t
Mxy (t ) = M 0eT 2
y´ t
v t = T2
Mxy
x´
Mxy(t): transversale Magnetisierung zur Zeit t
M 0: longitudinale Magnetisierung
T2: T2-Relaxationszeit (Zeit, zu der die transversale Magnetisierung
auf 37% ihres Wertes nach der Anregung abgefallen ist)
17 MagnetresonanztomographieMR-Signal
z´
Die transversale Magnetisierung
präzediert in der xy-Ebene und
v v
ω0
ω0 induziert in der Empfangsspule
eine Spannung:
v
Mxy FID (free induction decay)
x´
−t im realen, inhomogenen Magnetfeld:
T 2*
e T2*- statt T2-Relaxation
zusätzliche Spindephasierung durch
makroskopische
Magnetfeldinhomogenitäten
T2* abhängig vom Magneten
18 MagnetresonanztomographieSchnittebenen und Koordinaten in der
klinischen Bildgebung
superior
posterior
links
inferior
rechts
anterior
= Transversal
19 MagnetresonanztomographieBildgebung
für eindeutige Ortzuordnung der MR-Signale im 3-dimensionalen Raum
Ortkodierung
B0+20 mT Gz
(= 20 mT/m)
B0
B0-20 mT
z
-1.0 m +1.0 m
Gradient G: Magnetfeld, dessen Stärke sich linear mit dem Ort ändert.
3 senkrecht zueinander stehende Gradienten
20 MagnetresonanztomographieSchichtauswahlgradient (2D)
Schichtauswahlgradient Gs (z.B. Gz für eine transversale Schicht in xy)
Schaltung mit der Frequenzbandbreite ∆ω während der Anregung:
B = B0 + B1z ωz = γ B0 + γ B1z
Anregung der Spins nur innerhalb Schichtdicke ∆z
ω
Gs = Gz
∆ω
z
∆z
21 MagnetresonanztomographiePhasenkodiergradient (2D)
Phasenkodiergradient Gϕ (z.B. Gy)
Schaltung zwischen Anregung und Signalauslesen:
Phase der Spins ϕy abhängig vom Ort y
„Phasengedächtnis“ der Spins nach dem Abschalten des Gradienten.
Gph = Gy y
y5 ϕ5 . . . . .
y4 ϕ4 . . . . .
y3 ϕ3 . . . . .
y2 ϕ2 . . . . .
y1 ϕ1 .ω .ω .ω .ω . ω5
1 2 3 4
x
x1 x2 x3 x4 x5
22 MagnetresonanztomographieFrequenzkodiergradient (2D)
Auslese- oder Frequenzkodiergradient Gr (z.B. Gx)
Schaltung während des Signalauslesens:
Sendefrequenzen ωx der Spins abhängig vom Ort x
y
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
ω1 ω2 ω3 ω4 ω5
x1 x2 x3 x4 x5
x
Gr = Gx
23 MagnetresonanztomographieBildgebung 3D 1. Anregung des gesamten Bildvolumens 2. Schaltung der Phasengradienten Gz und Gy zwischen Anregung und Signalauslesen. 3. Schaltung des Lesegradienten Gx während des Signalauslesens. 24 Magnetresonanztomographie
2D / 3D - Bildgebung
2D 3D
Anregung • einzelne Schicht • gesamtes Volumen
Auslesen • einzelne Schicht • einzelne Schicht
Schichtdicke • max. 2 mm • < 1 mm
Auflösung • nicht isotrop • isotrop
Ortkordierung • Gs, Gph, Gr • Gs (als Gph), Gph, Gr
Signal-to-Noise-Ratio S/N
Messzeit
Gs, Gph, Gr = Scheiben-, Phasen-, bzw. Lesegradient
25 MagnetresonanztomographieBildrekonstruktion
Rückprojektion
Lauterbur PC, Nature 1973; 242: 190
Fourier-Transformation
FT
FT
Rohdatenbild MR-Bild
Frequenzraum „k-Raum“ Ortraum
26 MagnetresonanztomographiePulssequenzen: Spinecho (SE)
90°-Puls
z´
T2*-Relaxation
z´
y´ 180°-Puls
x´ y´ z´
t=0
Spinecho
x´ z´
0 < t < TE/2
y´
x´ y´
t = TE/2
x´
t = TE
27 MagnetresonanztomographiePulssequenzen: Spinecho (SE)
90° 180°
HF
Gs
Gph
Gr
FID ECHO
MR-Signal
Echozeit TE
Repetitionszeit TR
28 MagnetresonanztomographiePulssequenzen: Multislice SE
Schicht 1 Schicht 1
90° 180° 90° 180°
TE Schicht 2 TE
90° 180°
Schicht 3
TE 90° 180°
TE
TR
29 MagnetresonanztomographiePulssequenzen: Schnelles Spinecho
FSE, TSE
Mehrere 180°Pulse, deren
Echos unterschiedlich
phasenkodiert werden
Deutlich kürzere Messzeiten als
mit der SE-Technik
K-Raum
30 MagnetresonanztomographiePulssequenzen Gradientenecho
α FLASH, SPGR
Anregung mit Flipwinkel
α < 90°
Gradientenumkehr statt 180°-Puls
Kürzere Messzeit als SE-Technik
3D-Bildgebung
Höhere Anfälligkeit für
TR
Suszeptibilitätsartefakte
TE
31 MagnetresonanztomographieBildqualität
Messzeit T = TR X Nph X Nac(X Npart )
FOV
Voxelgröße V=
SD × Nr × Nph
−1
Signal-Rauschen S / N ≈ V Nph Nac BW
S / N ≈ TR
32 MagnetresonanztomographieSignalverhalten
Gewebeparameter
Protonendichte PD,
T1-Relaxationszeit*,
T2-Relaxationszeit*
Pulssequenz
Scanparameter
Repetitionszeit TR,
Echozeit TE,
Fettunterdrückung,
Flipwinkel, Echozuglänge, ...
* durch Kontrastmittel beeinflussbar
33 MagnetresonanztomographieGewebeparameter *
Gewebe T1 (s) T2 (ms)
Liquor 0.8 - 20 110 - 2000
Weisse Substanz 0.76 - 1.08 61-100
Graue Substanz 1.09 - 2.15 61 - 109
Hirnhaut 0.5 - 2.2 50 - 165
Muskel 0.95 - 1.82 20 - 67
Fett 0.2 - 0.75 53 - 94
*bei 1.5 Tesla
Fletcher LM et al, Magnetic Resonance in Medicine 1993; 29: 623-630
34 MagnetresonanztomographieBetonungen in der SE-Technik
v v
Mz(t ) Kurze T1 Mxy (t )
Lange T1 Lange T2
Kurze T2
TR TE
S = PD (1 - e-TR/T1) e-TE/T2
Protonendichte-Betonung TR >>T1, TE T1, TE ≈ T2
35 MagnetresonanztomographieBetonungen in der SE-Technik
Betonung T1 T2 PD
TR 400-600 2000-3000 2000-3000
TE 10-20 70-120 10-20
signalreich Gewebe mit kurzer Gewebe mit langer Gewebe mit hoher
T1: Fett, weisse T2: Flüssigkeit, PD: Fett
Substanz Liquor
signalarm Gewebe mit langer Gewebe mit kurzer Gewebe mit
T1: Flüssigkeit, T2: Muskel niedriger PD
Liquor
36 MagnetresonanztomographieAnwendungsbeispiel: Infarktdiagnostik 37 Magnetresonanztomographie
Anwendungsbeispiel: Cardiac MRI
38 Magnetresonanztomographie
Larson AC et al. , Magnetic Resonance in Medicine 2004; 51(1): 93-102Anwendunsbeispiel: Gelenke
SE (1500 / 20), scan time 13 min GRE (400 / 7,5 / 75°), scan time 3 min
2.4 T, SD 1 mm, 150 x 75 µm
Hodgson RJ et al., Investigative Radiology 1995, 30(9): 522-531
39 MagnetresonanztomographieAnwendungsbeispiel: Gelenke
FSE FSE + FS
Verbesserung des Bildkontrastes durch Fettunterdrückung.
MRI of the musculoskeletal system, TH Berquist ed.
40 MagnetresonanztomographieAnwendungsbeispiel: Tumordiagnostik
pre KM
2:24 post KM
4:01 post KM 4:33 post KM
Leberhämangiom (2D GRE, T1, KM-Anflutung)
41 MagnetresonanztomographieMR-Kontrastmittel
Paramagnetische Ionen beschleunigen Relaxationsprozesse benachbarter
Protonen durch das starke magnetische Moment ihrer ungepaarten
Elektronen
Verkürzung der T1-Relaxation
Aufgrund ihrer Toxizität werden paramagnetische Ionen, z.B. Gd3+, Mn2+
chelatisiert
GdDTPA (Magnevist) negativ geladen
ProHance, Omniscan ungeladen
Eine neue Klasse von MRT-Kontrastmitteln, USPIO (ultrasmall
superparamagnetic iron oxide)
Verkürzung der T2-Relaxation
42 MagnetresonanztomographieAnwendungsbeispiel:
fMRI
BOLD blood oxigenation level
dependent
Baudewig J et al., Magnetic Resonance
Imaging 2003, 21(10): 1121-1130
43 MagnetresonanztomographieAnwendungsbeispiel: Angiographie Aorta und Nieren Herzkranzgefäße De Koning PJH, MRM 2004, 50(6):1189-1198 Huber ME, MRM 2003, 49(1): 115-121 44 Magnetresonanztomographie
Anwendungsbeispiele: Spektroskopie
1H
31P
Ugurbil K et al., 13C
MRI 2003,
21(10): 1263-
1281
Henry PG et al.,
MRM 2004, In Lei H et al., MRM 2003, 49:
press 199–205.
45 Magnetresonanztomographie...zu Risiken und Nebenwirkungen... Risiken: • Herzschrittmacher, ferromagnetische Gefäßclips, etc. Kontraindikationen für MR-Untersuchung! Nebenwirkungen: • Anziehung von ferromagnetischen Metallteilen • Geräusche (durch das Gradientenschalten) • Schwindel, Erwärmung des Patienten, ...(?) Grenzwerte für B0, dB/dt, SAR (spezifische Absorptionsrate) EU: ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) USA: FDA 46 Magnetresonanztomographie
Zukunftsperspektiven
• Verbesserung der räumlichen und zeitlichen
Auflösung bei optimaler Bildqualität
z.B. Feldstärke, Gradienten, Spulen
• quantitative MRT
z.B. Morphometrie, T1-, T2-Maps, Diffusion,
Perfusion
• nichtinvasive Gefäßdiagnostik (MR-Angiographie)
für alle Gefäßregionen
• dynamische Studien
z.B.: Kontrastmittelakkumulation
• funktionelle Studien
z.B.: Herzbewegung, Hirnaktivität
• Molecular Imaging
• MRT-gesteuerte und -überwachte Intervention
z.B.: Biopsie
47 Ganzkörperscan Siemens Avanto
Magnetresonanztomographie
TIM (total imaging matrix)Literatur: www.cis.rit.edu/htbooks/mri 48 Magnetresonanztomographie
T2 Messung 49 Magnetresonanztomographie
T1-Messung
Pulssequenz: Inversion Recovery (IR) Inversion Delay
0.05 s 0.15 s 0.3 s 0.5 s
0.8 s 1.2 s 1.6 s 2.0 s
S = PD ((1 - 2e-TI/T1) + e-TR/T1) e-TE/T2
TI = T1 ln2
50 MagnetresonanztomographieMagnetisierungstransfer (MT)-Imaging • Knorpel zeigt einen starken MT-Effekt. • Der MT-Quotient beschreibt diesen Effekt quantitativ. 51 Magnetresonanztomographie
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