Kernspintomographie
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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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Presentation Transcript
Kernspintomographie
Kernspintomographie

  • Teil I Grundprinzip

  • Teil II Gerätetechnik


Kernspintomographie

Kernspintomographie

  • Teil I Grundprinzip

  • Teil II Gerätetechnik


Kernspintomographie1
Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Kernspintomographie2
Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Kernspintomographie3
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


Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Der spin

Elektronen

[1]

Atomkern

Der Spin

  • Das einfache Atommodell

    • Atomkern bestehend aus Protonen und Neutronen, umgeben von Elektronen


Der spin1

[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


Der spin2

[1]

Der Spin

  • Weitere Modellvorstellung:

    • Verhalten wie Stabmagnet

  • Der Kernspin erzeugt eine magnetische Kraft

  • Elementarmagnet

  • Vorraussetzung für Kernresonanzmessungen


Der spin3

  • 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


Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Spins im tomographen

[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


Spins im tomographen1

[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


Spins im tomographen2

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


Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Spinpr zession

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


Kernspintomographie

[1]

H

Spinpräzession

  • Präzessionsbewegungen phasenverschoben

  • Vektorsumme = 0

  • keine Magnetisierung in xy-Ebene


Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Kernspintomographie

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


Kernspintomographie

[1]

H

MR-Signal

  • Die zwei Komponenten der Magnetisierung

    • Längsmagnetisierung Mz

    • Quermagnetisierung Mxy


Mr signal

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]


Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Spin gitter relaxation

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


Spin spin relaxation

[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


Spin echo

[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)


Kernspintomographie

  • Einleitung

  • Physikalische Grundlagen, Modellvorstellung

  • Spins im Tomograph

  • Modellverfeinerung

  • Entstehung des MR-Signals

  • Spin-Relaxation und Spin-Echo

  • Grundlagen der Tomographie

  • Zusammenfassung

  • Quellenangaben


Grundlagen der tomographie

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


Selektive anregung

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]


Phasenkodierung

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


Frequenzkodierung

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]


Zusammenfassung teil i
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


Kernspintomographie mr

Kernspintomographie (MR)

Teil I Grundprinzip

Teil II Gerätetechnik


Mr ger tetechnik
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


Mr untersuchungsraum
MR-Untersuchungsraum

www.siemens.de


Systembauweisen von tomographen
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




Magnetfeldtypen
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


Supraleitende magnete
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


Effekte supraleitender magnete
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


Beseitigen von inhomogenit ten
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


Das gradientensystem
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)


Das hochfrequenz system
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)


Hf sende empfangsverst rker
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


Wiederholung vom signal zum bild
Wiederholung : Vom Signal zum Bild

B00+Gzz

Selektive Anregung:

ω0 = +γ(B00 + Gzz)



Kodierung und farbraum
Kodierung und Farbraum

Phasenkodierung

ωp = -γGyyTy


Rohdaten und bilddaten
Rohdaten und Bilddaten

K-Raum

Bild-

Raum


Kontraste
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


Das computersystem
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



Unterschiede mr ct
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)


Zusammenfassung teil ii
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


Quellenverzeichnis
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


Kernspintomographie

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


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