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Kernspintomographie

Kernspintomographie. Teil I Grundprinzip Teil II Gerätetechnik. Kernspintomographie. Teil I Grundprinzip Teil II Gerätetechnik. Kernspintomographie. Einleitung Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung Spins im Tomograph Modellverfeinerung Entstehung des MR-Signals

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Kernspintomographie

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Presentation Transcript

  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

  4. 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

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

  7. Elektronen [1] Atomkern Der Spin • Das einfache Atommodell • Atomkern bestehend aus Protonen und Neutronen, umgeben von Elektronen

  8. [1] 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

  9. [1] Der Spin • Weitere Modellvorstellung: • Verhalten wie Stabmagnet • Der Kernspin erzeugt eine magnetische Kraft • Elementarmagnet • Vorraussetzung für Kernresonanzmessungen

  10. Atomkerne mit gerader Ordnungs- und Massenzahl • magnetisch neutral • Atomkerne mit ungerader Ordnungs- und/oder Massenzahl • resultierender Kernspin, magnetresonanzfähig [1] Beispiel: 13C mit 6 Protonen und 7 Neutronen 2/3 der natürlichen Isotope sind magnetresonanzfähig 6 Der Spin • Der Spin von Protonen und Neutronen

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

  12. [1] 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

  13. [1] H 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

  14. M= 0 Spins im Tomographen M=0 • 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 H ≠ 0 H = 0 Überschussspins

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

  16. z • Präzessionswinkelge-schwindigkeit M  =  B y [1] x H Spinpräzession • Der Spin beschreibt eine Kegelbewegung in Richtung des angelegten Magnetfeldes  = Larmorfrequenz  = gyromagnetische Verhältnis der Atomkerne [2] meist wird * = f0/ B angegeben

  17. [1] H Spinpräzession • Präzessionsbewegungen phasenverschoben • Vektorsumme = 0 • keine Magnetisierung in xy-Ebene

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

  19. HF-Puls H [1] MR-Signal • HF-Puls als Anregung • HF-Puls als zirkular polarisierte Welle verursacht zusätzlich ein rotierendes Magnetfeld • ωHF-Puls = ωSpin Resonanz, Magnetisierung kippt • Flipwinkel • Je grösser die Energie des HF-Pulses ist, desto weiter kippen die Spins

  20. [1] H MR-Signal • Die zwei Komponenten der Magnetisierung • Längsmagnetisierung Mz • Quermagnetisierung Mxy

  21. HF-Puls [1] H 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

  23. Fett Wasser [1] [1] 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

  24. [1] [2] 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 > T2

  25. [1] TE = Echozeit [1] 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)

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

  27. y z x Grundlagen der Tomographie • Durch HF-Pulse wurde ortsabhängiges Mxy erzeugt • zur Bilderstellung ist eine Ortskodierung der Signale nötig • Dieses Mxy kann als MR-Signal gemessen werden

  28. y ω z z x Gz 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. y y z Gy= 0 Gy= 0 Gy≠ 0 x [3] 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

  30. x Gx 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

  33. 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

  36. 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

  39. 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

  41. 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 => Umsetzung in Wärme). • Shimströme werden individuell für eine gewählte Pulssequenz eingestellt und optimiert

  42. Das Gradientensystem • Drei Spulenanordnungen fürdrei Raumrichtungen (x, y, z) • Angetrieben durch Gradientenverstärker • schalten bis zu 500 A in extrem kurzer Zeit ( > 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

  45. Wiederholung : Vom Signal zum Bild B00+Gzz Selektive Anregung: ω0 = +γ(B00 + Gzz)

  46. Die Pulssequenz

  47. Kodierung und Farbraum Phasenkodierung ωp = -γGyyTy

  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 ( > 1 GB RAM) • Ca. 100 Bilder / s bei 256² Bildpunkten • Steuerrechner • Multitaskingfähiges Userinterface • Dateneingabe, Messablauf, Bilddarstellung • Mehrere schnelle Prozessoren

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