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MRT

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b.e.ach 'n' toast

on 24 April 2013

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Transcript of MRT

Magnetresonanztomographie bildgebendes Verfahren Einsatzgebiet medizinische Diagnostik
(Gewebe und Organe) NICHTINVASIV keine potenziell schädliche
ionisierende Strahlung physikalische Basis ist
die Kernspinresonanz KONZEPT Kernspinresonaz Atomkerne von Wasserstoff haben Eigendrehimpuls und ein magnetisches Dipolmoment statisches magnetisches Feld B_0 magnetische Moment parallel
(niedrigstes Energieniveau) anitparallel
(höheres Energieniveau) Präzessionsbewegung Larmorfrequenz Transversalmagnetisierung Spin-Gitter-Relaxation Abschalten des Störfeldes Spin-Spin-Relaxation Bildbeurteilung Vorteile -- Nachteile Voxel - es gibt keinen Normwert für das Signal von bestimmten Gewebe
(wegend den zahlreichen variablen Parametern z.b. Magnetfeldstärke) Bildinterpretation Gesamtkontrast Gewichtung der Messsequenz Signalunterschiede zw. bekanntem und unbekanntem Gewebe hypointens hyperintens T1-Gewichtung Fetthaltiges Gewebe hyperintens gut zur anatomischen Darstellung
von Organenstrukturen T2-Gewichtung stationäre Flüssigkeiten hyperintens gut zur Darstellung von Ergussbildungen
und Ödemen und zur Abgrenzung von
Zysten gegenüber soliden Tumoren gegenüber anderen bildgebenden Verfahren in der diagnostischen Radiologie: BESSERE DARSTELLBARKEIT VIELER ORGANE manche Organe werden überhaupt erst durch die MRT-Untersuchung darstellbar keine potenziell gefährliche ionisierende Strahlung sehr hohe Detailerkennbarkeit neuere Aufnahmeverfahren scannen einzelne Schnittbilder in Bruchteilen einer Sekunde
sie liefern auf diese Weise eine Echtzeit-MRT Bewegungen von Organen können so dargestellt werden z.b. das Herz Die Auflösung ist bei Standardsystemen auf etwa einen Millimeter begrenzt Metall am oder im Körper kann Nebenwirkungen und Bildstörungen verursachen
z.B. Eisensplitter im Auge kann sehr gefährlich werden Elektrische Geräte können im Magneten beschädigt werden
z.B. Herzschrittmacher Die Untersuchung ist im Vergleich oft zeitaufwändiger Hoher Stromverbrauch durch die Direktkühlung, die Klimaanlage und die Lüftungsanlage eventuell auftretende Klaustrophopie Verschiedene MRT Verfahren Echtzeit MRT
Magnetresonanzangiographie (MRA) - Gefäße
Perfusions-MRT (Gewebedurchblutung)
Dissusions-Tensor-Bildgebung (Nervenfasern) Diffusions-Tensor-Bildgebung Allgemein Anwendungen Historie Messverfahren Grundlagen Visualisierung Weiterentwicklung Messung und Darstellung der Diffusionsbewegung von Wassermolekülen in Körpergewebe Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit Untersuchung des Gehirns Manche ERKRANKUNGEN verändern das Diffusionsverhalten charakteristisch Gehirn Rückschlüsse auf den VERLAUF DER NERVENBÜNDEL durch die Richtungsaghängigkeit der Diffusion Berechnung eines Tensors Schlaganfall-Diagnostik Planung von Operationen Forschung Schlaganfall-Diagnostik betroffenes Hirngewebe => geringere Diffusionskoeffizienten als gesundes Gewebe Ursache: Natrium-Kalium-Pumpen in den betroffenen Zellen defekt
=> Extrazelluläre Flüssigkeit dringt ein
=> Diffusion wird eingeschränkt Herkömmliche MRT: Infarkt kann erst ab bis zu 12 Stunden festgestellt werden Planung von Operationen Voraberkennung der Lage von Nerven
=> Berücksichtigung bei Operations/-Bestrahlungsplanung Hinweise, ob ein Tumor bereits in eine Nervenbahn eingedrungen ist Forschung Beispiel: Alterungsprozesse gehen mit signifikantem Rückgang der fraktionalen Anisotropie und einer Erhöhung der mittleren Diffusivität einher Nachweisliche Veränderungen in der DTI bei: Multipler Sklerose
Epilepsie
Alzheimer
Schizophrenie 1965: E. O. Stejskal und J. E. Tanner: kurzzeitig geschaltene Gradientenfelder zur Messung von Diffusionsbewegungen von Wasserstoff-Kernen
1970: Paul Christian Lauterbur und Peter Mansfield: ortsaufgelöste Magnetresonanztomografie, eine Möglichkeit, die Kernspinresonanz zur Bildgebung einzusetzen (2003 Nobelpreis für Physiologie und Medizin)
1985: Denis LeBihan: führt das von Stejskal und Tanner entwickelte Verfahren zur Diffusionsmessung in die MRT ein
1994: Peter J. Basser: schlägt den Diffusions-Tensor als Modell vor
Etwa seit 2000: verschiedene Forschergruppen entwickeln aufwändigere Varianten der Diffusions-Bildgebung, aber es hat keines eine dem Diffusions-Tensor vergleichbare Verbreitung Protonen besitzen magnetisches Feld
=> äußeres Magnetfeld
=> parallel (niederenergetisch) oder antiparallel (hochenergetisch) Wir erinnern uns: Richtung des äußeren Magnetfeldes: z-Achse => senkrecht dazu die xy-Ebene Rotationsachse der Protonen: präzediert um die z-Achse

Rotationsfrequenz ist proportional zum äußeren Magnetfeld
=> Larmorfrequenz HF-Impuls Messspule (senkrecht auf xy-Ebene)
=> induzierter Strom Abschalten des HF-Pulses:
Protonen kehren in Gleichgewichtszustand zurück Diffusionsgewichtete MRI-Sequenzen Stejskal-Tanner-Sequenz Beschreibung der Richtungsabhängigkeit Erstes Ficksches Gesetz: Apparent Diffusion Coefficient (ADC) Diffusions-Tensor Stejskal-Tanner-Gleichung Abschwächung des Messsignals in Abhängikeit
von Messparametern und Diffusionstensor durch die Messungen werden in der Regel wiederholt gemacht Methode der kleinsten Quadrate Interpretation Beweglichkeit der Wasser-Moleküle durch Hindernisse (z.B. Zellmembran) eingeschränkt

Moleküle können sich entlang langgestreckter Axone ungehinderter bewegen als quer zu ihnen
=> die Richtung des größten Diffusionskoeffizienten spiegelt den Verlauf der Nervenfasern wider

Auflösung des Verfahrens beträgt aber nur wenige Millimeter

=> Mittelwert über ein bestimmtes Volumen
=> Nur größere Nervenfaserbündel werden genau dargestellt Visualisierung Diffusions-Tensoren werden auf Grau- oder Farbwert reduziert

Grauwerte: aus den Eigenwerten des Diffusions-Tensors berechnet

Des weiteren üblich: mittlerer Diffusionskoeffizient, Fraktionale Anisotropie (Maß für die Gerichtetheit der scheinbaren Diffusion)

Farbwerte: Richtung des größten Diffusionskoeffizienten
Hierbei wird jeder der drei Achsen eine der Grundfarben rot, grün und blau zugeordnet. Schnittbilder Traktographie Rekonstruktion des Verlaufes größerer Nervenfaserbündel

Visualisierung durch: Hyperstreamlines
Diese folgen der Richtung des größten Diffusions
Koeffizienten

Alternativ: probabilistische Traktografie
Wahrscheinlichkeit, dass eine Nervenverbindung mit einem gegebenen Ausgangsareal angenommen werden kann.
=> ermöglicht quantitative Aussagen Glyphen: geometrische Körper, deren Form und Ausrichtung Information vermittelt

ABER: nur ein Ausschnitt der Daten visualisierbar
DENN: Glyphen müssen eine gewisse Größe haben,
dürfen sich aber nicht verdecken

Ellipsoide am weitesten verbreitet
Halbachsen sind mit der Stärke der Diffusion in der jeweiligen Richtung skaliert
=> die längste Halbachse = Richtung der stärksten Diffusion Tensor-Glyphen Problem: sich auffächernde/kreuzende Faserbündel
=> werden von DT-MRI nur unzureichend erfasst Nachbearbeiten der Messdaten im Computer
=> Störungen werden zum Teil korrigiert

Forschung: Suche nach neuen MRT-Sequenzen, die weniger fehleranfällig sind
Voxel, in denen Nervenbahnen sich kreuzen oder auffächern, können nicht korrekt dargestellt werden

=> Neue Ansätze: HARDI (High Angular Resolution Diffusion Imaging) DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Verbesserung der Bildqualität Erhöhung der Winkelauflösung ...ist die Frequenz der Präzessionsbewegung des Kernspins

...hängt von der Stärke des äußeren Magnetfeldes und vom betrachteten Kern ab Hochfrequentes Zusatzfeld in Richtung der Transversalebene
(ist mit der Larmorfrequenz in Resonanz)
=> alle Kerne werden phasensynchron aus ihrer aktuellen Lage zum statischen Feld ausgelenkt

=> Transversalmagnetisierung (=: m_T)
dieses ist maximal gleich der ursprüngliche Longitudinalmagnetisierung (Sättigung) Messung Wechselspannungsinduktion durch die rotierende Transversalmagnetisierung Frequenz = Larmorfrequenz, Amplitude = Stärke der Transversalmagnetisierung m ... Magnetisierung
Die Magnetisierung richtet sich wieder entlang des statischen Feldes B_0 aus
=> Energie geht von Kernen über die Atome ins Gitter
Das erfolgt exponentiell:




Die Zeit, bis z-Komponente ca. 63 % ihres Ausgangswertes wieder erreicht,
nennt man Spin-Gitter-Relaxationszeit oder auch T_1-Zeit Quermagnetisierung: zerfällt durch Wechselwirkung mit benachbarten Atomen
=> ähnlich wie die M_z-Komponente steigt


Dephasierung durch: Spin-Spin-Wechselwirkung
Zerfall: exponentiell Querrelaxationszeit T_2 Modell der freien Diffusion, beschrieben durch die Fickschen Gesetze Ortskodierung und Bildaufbau Ortskodierung mit Hilfe linear ortsabhängigen Magnetfeldern: Das empfangene Signal gehört somit zu einer bestimmten Schicht des Körpers:
=> Umrechnung des Computers mit Fourier-Transformation in ein zweidimensionales Bild Es wird ausgenutzt, dass für ein bestimmtes Teilchen die Larmorfrequenz von der magnetischen Flussdichte abhängt: Schichtselektionsgradient:
Er liegt bei der Anregung an und stellt sicher, dass nur eine einzelne Schicht des Körpers die passende Larmorfrequenz besitzt
=> nur Spins dieser Schicht werden ausgelenkt Phasenkodiergradient:
Er wird quer zum ersten nach der Anregung kurz eingeschaltet und bewirkt eine kontrollierte Dephasierung der Spins
=> in jeder Bildzeile hat die Präzession der Spins eine andere Phasenlage Auslesegradient, Frequenzkodiergradient:
Er wird während der Messung rechtwinklig zu den beiden anderen geschaltet
=> die Spins jeder Bildspalte eine andere Präzessionsgeschwindigkeit haben
=> eine andere Larmorfrequenz senden Alle drei Gradienten zusammen bewirken eine Kodierung des Signals in drei Raumebenen einige hundert ms einige Sekunden
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