Grundlagen der NMR-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen

1. Grundlagen der NMR-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen Wolfgang Dreher Fachbereich 2 (Biologie/Chemie) Universität Bremen WS 2011/2012

2. ■■■ Gliederung Grundlagen und Anwendungender NMR-Tomographie • NMR-Effekt und NMR-Spektroskopie • Erfindung und Grundprinzip der NMR-Tomographie • Kontrastmechanismen und Anwendungebereiche der NMR-Tomographie • Quantitative Fluss- und Diffusions-Messungen mittels MRI • Nicht-medizinische NMR-Tomographie • Räumliche und zeitliche Auflösung • NMR-Tomographen an der Universität Bremen • Zusammenfassung

3. ■■■ Literatur Grundlagen und Anwendungender NMR-Tomographie Literatur: • H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Verfahren für die medizinische Diagnostik, Publicis, 1995. • A. Oppelt (Ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, 2005. • Hashemi, Bradley, Lisani: MRI. The Basics, Wolters Kluwe & Lippincott, 2010. • ... • S. Stapf, S.-I. Han (Hrsg.):NMR Imaging in Chemical Engineering, Wiley, 2005. • I. Koptyuk (Hrsg.): The Frontiers of Nonmedical MRI (vol.32(1-2) of „Applied Magnetic Resonance“, 2007.

4. ■■■ Einführung „Tomographie“ • Duden: altgriechisch: • τομή (tome): „Schnitt“ • γράφειν (graphein): „schreiben“ • „Schnittbildverfahren“ • Messung von Schnittbilder (S1, S2, …) statt einfacher Projektionen P • Vielzahl der tomographischen Verfahren: • physikal. Grundprinzip • spezielle Messverfahren Graphik aus wikipedia.org

5. ■■■ Einführung Tomographische Verfahren MRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische Anwendungsbereiche

6. ■■■ NMR-Effekt Der NMR-Effekt • Atomkerne können Kernspin (Eigendrehimpuls) besitzen (Quantenzahl I ) • in statischem Magnetfeld B0||z: „Zeeman-Effekt“: lz=m.(h/2p) mit m=-I, I+1, ..., I • magn. Moment: (g ... gyromagn. Verhältnis) • diskrete Energieniveaus: • Grundgleichung: • 1945/46: Entdeckung des NMR- Effektes („nuclear magnetic resonance“) • E. Purcell et al. (1912-1997) • F. Bloch et al. (1905-1983) • Nobelpreis für Physik 1952

7. ■■■ NMR-Effekt Der NMR-Effekt • Besetzung der Energieniveaus gemäß der Boltzmann-Statistik • Herausbildung einer makroskopischen Kernmagnetisierung (im Gleichg.) • Blochsche Gleichung für die zeitliche Entwicklung der makroskopischen Kernmagnetisierung ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit w0)

8. ■■■ NMR-Effekt Der NMR-Effekt • Blochsche Gleichung ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit w0) T1 ... Spin-Gitter-Relaxationszeit (longitudinale Relaxation) T2 ... Spin-Spin-Relaxationszeit (transversale Relaxation) stets: T2≤ T1 Bereits Hinweis aus Kontrastvielfalt der NMR-Tomographie !

9. ■■■ NMR-Effekt wichtige NMR-aktive Kerne NMR-Tomographie („magnetic resonance imaging“, „MRI“) nutzt vor allem die Protonen (1H) des Wassers SRV ~ g3.B0x (x=1 ... 7/4)

10. ■■■ NMR-Spektroskopie NMR-Spektroskopie • 1945/46: NMR-Effekt • 1950: Entdeckung der „chemischen Verschiebung“ („chemical shift“): s ... Abschirmungskonstante ... beschreibt die Abschirmung des äußeren Magnetfeldes durch die den Kern umgebenden Elektronen ... ist spezifisch für bestimmte Molekülgruppen und damit die chemischen Bindungen • 1952: Entdeckung der J-Kopplung (Spin-Spin-WW über chem. Bind.) • Aufspaltung der Resonanzlinien in Multipletts • charakteristisch für Art der Molekülgruppe

11. ■■■ NMR-Spektroskopie NMR-Spektroskopie • seit 60iger Jh.: eine der wichtigsten Methoden der chem. Analytik • zunehmend wichtig für Biochemie / Biomedizin: • Bioflüssigkeiten • „in-vivo-NMR-Spektroskopie“ am lebenden Organismus 1H-MRS: Gehirn eines gesunden Probanden bei 7T, TE=6ms, TM=32ms, TR=5s, NA=160, Voxel: 8 ml (Fig.3 aus I. Tkac et al., MRM 46, 451-456(2001).)

12. ■■■ NMR-Tomographie Der NMR-Tomographie • 1971: R. Damadian (*1936): T1-Unterschiede für Wassersignale von gesunden Zellen und Tumor-Zellen (Messverfahren: „FONAR“) • 1973: P. C. Lauterbur (1929-2007): NMR-Tomographie als Projektions-Rekonstruktions-Verfahren („NMR zeugmatography“) • 1973: P. Mansfield (*1933): NMR-Tomographie als „NMR diffraction“ 2003: Nobelpreis für Medizin

13. ■■■ NMR-Tomographie Der NMR-Tomographie • primär: 1H-NMR des Wassersignals (ein Singulettsignal !) • Einsatz von zusätzlichen Magnetfeld- Gradienten („B0-Gradienten“) Lauterbur: Projektions-Rekonstruktions-Verfahren mittels Np Messungen mit Np Gradientenrichtungen

14. ■■■ NMR-Tomographie 100 50 75 MRI mittels Projektion-Rekonstruktion Gefilterte Rückprojektion für ein simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, Df=1°) gefilterte Rückprojektion simuliertes Phantom

15. ■■■ NMR-Effekt NMR-Spektrometer / Tomograph • Messsignal: präzedierende Kernmagnetisierung induziert Wechselspannung in Empfangsspule • Signalverarbeitung: Fourier-transformation (FT) ergibt die Frequenz- und Amplituden-verteilung der Signalbeiträge • nicht-magnetische Proben messbar !

16. ■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien • B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) • B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) • B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) • Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)

17. ■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien • B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) • B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) • B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) • Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)

18. ■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien • B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) • B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) • B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) • Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) • spin warp imaging • „parallele Verfahren“ • Reco mittels 2D-FT

19. ■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien • B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) • B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) • B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. der HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“, „Schichtselektion“) • Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) frequenzselektive HF-Pulse (z.B. durch Amplituden-modulation)

20. ■■■ NMR-Tomographie Schichtselektive 2D-MRI-Messung • B0-Gradient während der Signaldetektion(„Frequenzkodierung“) • B0-Gradient während der HF-Pulse(„räumlich selekt. Anregung“) • B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signal-detektion („Phasenkodierung“)

21. ■■■ NMR-Tomographie k-Raum-Daten und NMR-Bild ky kx 2D-FT 3D-FT 3D: s(kx,ky,kz) 3D-Bild

22. ■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien • B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) • B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) • B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) • Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)

23. ■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (I) • Spindichte r ( Wassergehalt) • T1-Relaxationszeit • T2-Relaxationszeit Blochgleichung ! r-gewichtetes Bild T1-gewichtetes Bild T2-gewichtetes Bild

24. ■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (II) 4. Magnetisierungstransfer • Wechselwirkung der Wasserprotonen mit Makromolekülen • Sättigungstransferzwischen Spinreservoirs • Detektion von Multipler Sklerose oder Demenzerkrankungen • Kontrastverstärkung für Angiographie (Gefäßdarstellung)

25. ■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (III) Magnetfeld- inhomogenitäten 5. T2*-Relaxationszeit: funktionelle Bildgebung(fMRI): mittelbaren Detektion von Gehirnaktivitäten Gradientenecho-Sequenz: Oxy-Hämoglobin: diamagnetisch Deoxy-Hämoglobin: paramagnetisch fMRI: aktivierte Areale über anatomischem MR-Bild

26. ■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (IV) 6. Flussgeschwindigkeit (Medizin: Angiographie / Gefäßdarstellung) 7. Diffusion (Selbstdiffusion des Wassers, „DWI“) 8. Perfusion (Gewebedurchblutung) diffusions- gewichtete Bilder perfusions- gewichtete Bilder NMR-Angiogramm

27. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI • Wie sind fließende von ruhenden Spins zu unterscheiden ? • Wie kann die Flussgeschwindigkeit (vektoriell) ortsaufgelöst (und nicht-invasiv !) gemessen werden ? NMR-Angiogramm (Gehirn) NMR-Angiogramm (Abdomen)

28. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: Flugzeit-Verfahren • einfache Implementierung • Standard-Auswertung • senkrechter Fluss zur Schichtrichtung • selektiv für bestimmte Geschwindigkeits-Intervalle

29. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren • Messung 1: ohne Kodiergradienten • In jedem Voxel: Signal mit Phase f1 • Messung 2: mit Kodiergradienten (f2) • geschwindigkeitsabh. Phasenänderung Zusatzphase #1 180°-Puls Zusatzphase #2 #1 + #2

30. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren Differenzphase Geschwindigkeit vz (Gf=Gz):

31. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren • 4 Messungen • Messung 1: Gf=0 • Messung 2: Gf=Gz • Messung 3: Gf=Gx • Messung 4: Gf=Gy • In jedem Voxel: Messung der vektoriellen Geschwindigkeit • 3D-Darstellung des Flussverhaltens ... • Eindeutigkeit der Geschwindig-keitswerte durch geeignete Parameter (d,D,Gf) • Grenzen der Ortsauflösung: SRV • Grenzen der Zeitauflösung: T1, T2

32. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: medizinische Anwendungen aus: A. Harloff et al., Magn.Reson.Med. 61, 65-74(2009).

33. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen

34. ■■■ Fluss-MRI Fluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung aus: Sederman et al., J. Magn. Reson. 166, 182-189(2004).

35. ■■■ DWI Diffusions-MRI • Selbstdiffusion des Wassers • Diffusionskoeffizient D • Diffusionszeit tD • Einstein-Relation: • 1965: Stejskal/Tanner-Experiment • für das j-te diffundierende Teilchen: • ohne Diff.gradient (GD=0): S(TE)=s(2t)=S0 • GD>0: S(TE)=s(2t)=S0.exp(-b.D) mit b=g2.GD2.d2.(D-d/3)

36. ■■■ DWI Diffusions-MRI • isotrope Diffusion: D aus Plot S(b) vs. b • freie, behinderte,beschränkte Diffusion • medizin. Anwendung: Diagnose bei SchlaganfallADC (apparent diffusion coefficient)sinkt um 20-40 % ! Patient mit Schlaganfall: diffusionsgew. Signal Schlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. Zeit

37. ■■■ DWI Diffusions-MRI • Für anisotrope Diffusion: „Diffusion-Tensor-Imaging“ (DTI): • mindestens 7 Messungen zur Bestimmung des Diffusionstensors

38. ■■■ DWI Diffusions-Tensor-MRI Maß für Anisotropie: („fractional anisotropy“) mit 0 ≤ FA≤ 1 aus: B.J. Jallison et al.,AJNR 25, 356-369(2004). Anwendung: Darstellung von Nervenfasern („MR-Traktographie“)

39. ■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (IV) • Temperatur • Druck (mittels Kontrastmitteln) • Elastizität • ...

40. ■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Volume 32, Numbers 1-2 / August 2007 • „The Frontiers of Nonmedical MRI“ • catalytic and biofilm reactors • fuel cells and microfluidic devices • polymers • drug delivery systems • gas hydrates and rocks • building material and coating • objects of cultural heritage • plants and foods • …

41. ■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 2005. • HARDWARE AND METHODS • POROUS MATERIALS • Diffusion in zeolites • Fluid distribution and dynamics in filter media • Multiscale approach to catalyst design • MRI methods for concrete building materials • Gas adsorption in porous materials • NMR applications in petroleum reservoir studies • Pore size measurements using internal magnetic field in porous media

42. ■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 2005. • FLUIDS AND FLOW • Modeling Fluid Flow in Porous Media • Magnetic resonance imaging viscometer • Imaging complex fluids in complex geometries • Quantitative visualization of Taylor-Couette-Poiseuille flows with MRI • Two phase flow of emulsions • Fluid flow and trans-membrane exchange in a hemodialyzer module • NMR for food quality control • NMR of granular matter

43. ■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 2005. • REACTORS AND REACTIONS • Magnetic resonance microscopy of biofilm and bioreactor transport • Two-phase flow in trickle bed reactors • In-situ monitoring of gas dynamics in combustion processes • In-situ monitoring of catalyzed reactions by NMR and MRI • In-situ reaction monitoring in fixed-bed reactors

44. ■■■ remote NMR Remote NMR Das Messobjekt wird nicht in einen Magneten gebracht, sondern Magnet + HF-Spule werden an oder auf die Probe gelegt !

45. ■■■ remote NMR Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)

46. ■■■ nicht-mediz. MRI MRI: Beispiele für nicht-medizinische Anwendungen • F. Marica et al., „Determination of spatially-resolved porosity, tracer distributions and diffusion coefficients in porous media using MRI measurements and numerical simulations“,Journal of Contaminant Hydrology, 2011. • J. Große et al.,„Volume Image Analysis of Ceramic Sponges“,Chem. Eng. Technol. 2008, 31, No. 2, 307–314.

47. ■■■ MRI: Auflösung MRI: räumliche Auflösung verfügbare Hardware: • B0 (=> SRV) • HF-Spule(n) • Empfang: SRV • Sende: min. Pulslängen • Gradienten • max. Stärke • max. Schaltrate Fragestellung / Messprobe: • notw. SRV in Voxel ? • Probengröße ? • => Matrixgröße • => HF-Spule (Signalempfang) • Kern ? (1H bevorzugt) • Konzentration / Spindichte • Relaxationszeiten T1, T2, T2* • Fluss / (Selbst-)Diffusion

48. ■■■ MRI: Auflösung MRI: zeitliche Auflösung verfügbare Hardware: • B0 (=> SRV) • HF-Spule(n) • Empfang: SRV, Vielkanal- spulen • Sende: min. Pulslängen • Gradienten • max. Stärke • max. Schaltrate Fragestellung / Messprobe: • Räumliche Auflösung ? • 1D, 2D oder 3D • Matrixgröße • Eigenschaften der Messsequenz • Gradientenecho vs. Spinecho • Einfachecho vs. Mehrfachecho • Wiederholzeit TR (Abstand zwischen Teilmessungen)

49. ■■■ MRI: Auflösung MRI: typische Auflösung (1H, Wasser) zeitlich: • 2D: 10 ms – … min. • 3D: … s - … h räumlich: • „Ganzkörper-NMR-Tomogr.“: 0.5 – 5 mm • „Tier-NMR-Tomogr.“: 50 mm – 1 mm • optimierte Systeme • Hochfeld • Spezial-HF-Spulen • Spezial-Gradienten 10 mm – 100 mm

50. ■■■ NMR-Tomographen NMR-Tomographen an der Univ. Bremen • 7T-Biospec (Bruker, 2008) • „Tierscanner“ • z.Z. Gradienten: max. 400 mT/m, Schaltzeit: 100 ms • HF-Spulen mit d= 72 mm und Spezialspulen • methodische Entwicklungen • In-vivo-Spektroskopie • Schnelle MRI • Diffusions-MRI • in-vivo-Messungen an Nagern • 1H- und X-Kerne