Technik

Bei der Kernspintomographie macht man sich den Eigendrehimpuls, oder Spin, der Atomkerne mit ungerader Anzahl von Kernbausteinen zunutze: Die Kerne dieser Atome gleichen rotierenden Kreiseln, deren Drehachsen beliebig im Raum orientiert sind. Bringt man sie aber in ein starkes äußeres Magnetfeld, so richten sich die Rotationsachsen parallel und antiparallel zu diesem Feld aus.

Abb. 1 Darstellung eines Wasserstoffkerns in einem äußeren Magnetfeld B0. Das Atom führt damit eine Präzessionsbewegung mit der Frequenz v0 aus (aus Zeitler, E.: Kernspintomographie. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln).

Bei 37°C und einer magnetischen Feldstärke von 1 Tesla (das entspricht dem 20000 fachen des Erdmagnetfeldes) ist die Anzahl der parallel ausgerichteten Atome aus energetischen Gründen entsprechend der Boltzmann-Verteilung etwa 7 millionstel mal höher als die der antiparallel ausgerichteten. Da sich jeweils gleiche Anzahlen gegensätzlich ausgerichteter Atome in ihrer Wirkung nach außen aufheben, entstehen die Kernspinbilder gerade nur durch diese geringe Zahlendifferenz.

Nach der Ausrichtung durch das äußere Magnetfeld führen die Kerne zusätzlich zu ihrer Eigenrotation eine Kreiselbewegung um die Richtung des Magnetfeldes aus. Die Frequenz dieser Präzessionsbewegung wird auch als Lamor- oder Resonanzfrequenz bezeichnet. Grundlegend für die Kernspintomographie ist dabei, dass diese Frequenz mit Zunahme der Feldstärke auch linear ansteigt, dh. für jede Magnetfeldstärke gibt es genau eine Lamor-Frequenz.

Technik der Bildgebung

Setzt man die Atome nun zusätzlich einer hochfrequenten (HF) elektromagnetischen Strahlung aus, deren Frequenz genau der Lamor-Frequenz entspricht, nehmen sie aus diesem Feld Energie auf. Dadurch wird der Winkel zwischen Magnetfeld und Rotationsachse zunehmend größer, etwa so, als ob man einen trudelnden Kinderkreisel immer wieder gezielt anstößt. Nach Abschalten des HF-Pulses haben die Atome die Tendenz, wieder ihre ursprüngliche Lage einzunehmen und senden dabei ihrerseits eine elektromagnetische Welle der Lamor-Frequenz aus. Diese kann über ein Antennensystem empfangen werden und wird schließlich als "Kernspin-Resonanz-Signal" in den Bildern dargestellt.

Abb. 2 Prinzipieller Aufbau eines Kernspintomographen: Der Patient liegt horizontal in einem 50 cm durchmessenden und etwa 2 m langen Rohr im Zentrum des Magneten. Weiter nach außen sind konzentrisch zunächst die Sende- und Empfangsantenne und dann die Gradientenmagnete angebracht (aus Zeitler, E.: Kernspintomographie. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln).

Um nun ein ortsaufgelöstes Bild zu erzeugen, sorgt man durch drei senkrecht zueinander orientierte Elektromagnete (sogenannte Gradienten-Magnete) dafür, dass an jedem Raumpunkt innerhalb des Kernspintomographen ein anderes Magnetfeld herrscht. Damit ist auch die Lamor-Frequenz an jedem Punkt unterschiedlich, so dass man durch geeignete Wahl der HF-Frequenz gezielt die Kerne in einem bestimmten Raumpunkt anregen kann.

Durch eine geeignete zeitliche Abfolge der Schaltung der Gradienten (G-Schicht, G-Phase und G-Auslese), der HF-Pulse und der Empfängerschaltung kann so ein beliebig orientiertes Schnittbild des Körpers angefertigt werden. Eine solche Schaltfolge wird auch als Pulssequenz bezeichnet.

Bildcharakteristika

Der Bildeindruck der Kernspintomogramme wird durch drei für die einzelnen Gewebearten charakteristische physikalische Eigenschaften bestimmt. Je nach dem, welche Größe das Bild dominiert, spricht man von einer "Wichtung". Durch die Wahl der Pulssequenz wird der Einfluss der Eigenschaften auf das Bild festgelegt.

1. Protonendichte: Je höher der prozentuale Anteil von Wasserstoffatomen in einem Bildelement ist, um so höher ist die Helligkeit des Bildpunktes.

2. T1-Relaxation: Nach Abschalten des HF-Anregungspulses beginnen die Spins in ihre ursprüngliche Orientierung zurückzukehren. Dieser Vorgang wird als Relaxation bezeichnet und verläuft exponentiell mit der Zeit. Die Zeitkonstante dieses Vorganges wird als T1- oder auch Spin-Gitter-Relaxationszeit bezeichnet.

3. T2-Relaxation: Durch den HF-Puls werden in einem Bildpunkt Millionen von Wasserstoffatomen angeregt. Je nach chemischer Bindung werden die einzelnen Atome durch die magnetischen Felder ihrer Nachbarn beeinflusst und haben so jeweils eine geringfügig unterschiedliche Lamorfrequenz. Damit rotieren sie mit verschiedenen Geschwindigkeiten um die Achse des äußeren Magnetfeldes. Je länger man wartet, umso mehr verteilen sich die Einzelspins, so dass die Gesamtmagnetisierung insgesamt geringer wird. Auch dieser Vorgang verläuft exponentiell mit der Zeit, wobei die Zeitkonstante als T2- oder auch Spin-Spin-Relaxationszeit bezeichnet wird.

Literatur

Neben vielen Monografien zur Technik der Kernspintomographie z.B. (1, 2) seien hier als Übersichtsartikel (3) und zur Vertiefung (4, 5) genannt. Unter (6) findet man ein interaktives Lehrbuch.

3. Lissner J, Seiderer M (Hrsg.): Klinische Kernspintomographie. Enke Stuttgart (1987)

4. Stark DD (Hrsg.): Magnetic Resonance Imaging. Second Edition. Mosby-Year Book St. Louis (1992)

5. Hinshaw WS: Image formation by nuclear magnetic resonance: The sensitive-point method. J Appl Phys 47,8 (1976) 3709-3721

6. Hinshaw WS, Lent AH: An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation. Proc IEEE 71,3 (1983) 338-350





e-Learning Virtual MRI MRI Einführung		Physik Bei der Kernspintomographie macht man sich den Eigendrehimpuls, oder Spin, der Atomkerne mit ungerader Anzahl von Kernbausteinen zunutze: Die Kerne dieser Atome gleichen rotierenden Kreiseln, deren Drehachsen beliebig im Raum orientiert sind. Bringt man sie aber in ein starkes äußeres Magnetfeld, so richten sich die Rotationsachsen parallel und antiparallel zu diesem Feld aus. Abb. 1 Darstellung eines Wasserstoffkerns in einem äußeren Magnetfeld B0. Das Atom führt damit eine Präzessionsbewegung mit der Frequenz v0 aus (aus Zeitler, E.: Kernspintomographie. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln). Bei 37°C und einer magnetischen Feldstärke von 1 Tesla (das entspricht dem 20000 fachen des Erdmagnetfeldes) ist die Anzahl der parallel ausgerichteten Atome aus energetischen Gründen entsprechend der Boltzmann-Verteilung etwa 7 millionstel mal höher als die der antiparallel ausgerichteten. Da sich jeweils gleiche Anzahlen gegensätzlich ausgerichteter Atome in ihrer Wirkung nach außen aufheben, entstehen die Kernspinbilder gerade nur durch diese geringe Zahlendifferenz. Nach der Ausrichtung durch das äußere Magnetfeld führen die Kerne zusätzlich zu ihrer Eigenrotation eine Kreiselbewegung um die Richtung des Magnetfeldes aus. Die Frequenz dieser Präzessionsbewegung wird auch als Lamor- oder Resonanzfrequenz bezeichnet. Grundlegend für die Kernspintomographie ist dabei, dass diese Frequenz mit Zunahme der Feldstärke auch linear ansteigt, dh. für jede Magnetfeldstärke gibt es genau eine Lamor-Frequenz. Technik der Bildgebung Setzt man die Atome nun zusätzlich einer hochfrequenten (HF) elektromagnetischen Strahlung aus, deren Frequenz genau der Lamor-Frequenz entspricht, nehmen sie aus diesem Feld Energie auf. Dadurch wird der Winkel zwischen Magnetfeld und Rotationsachse zunehmend größer, etwa so, als ob man einen trudelnden Kinderkreisel immer wieder gezielt anstößt. Nach Abschalten des HF-Pulses haben die Atome die Tendenz, wieder ihre ursprüngliche Lage einzunehmen und senden dabei ihrerseits eine elektromagnetische Welle der Lamor-Frequenz aus. Diese kann über ein Antennensystem empfangen werden und wird schließlich als "Kernspin-Resonanz-Signal" in den Bildern dargestellt. Abb. 2 Prinzipieller Aufbau eines Kernspintomographen: Der Patient liegt horizontal in einem 50 cm durchmessenden und etwa 2 m langen Rohr im Zentrum des Magneten. Weiter nach außen sind konzentrisch zunächst die Sende- und Empfangsantenne und dann die Gradientenmagnete angebracht (aus Zeitler, E.: Kernspintomographie. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln). Um nun ein ortsaufgelöstes Bild zu erzeugen, sorgt man durch drei senkrecht zueinander orientierte Elektromagnete (sogenannte Gradienten-Magnete) dafür, dass an jedem Raumpunkt innerhalb des Kernspintomographen ein anderes Magnetfeld herrscht. Damit ist auch die Lamor-Frequenz an jedem Punkt unterschiedlich, so dass man durch geeignete Wahl der HF-Frequenz gezielt die Kerne in einem bestimmten Raumpunkt anregen kann. Durch eine geeignete zeitliche Abfolge der Schaltung der Gradienten (G-Schicht, G-Phase und G-Auslese), der HF-Pulse und der Empfängerschaltung kann so ein beliebig orientiertes Schnittbild des Körpers angefertigt werden. Eine solche Schaltfolge wird auch als Pulssequenz bezeichnet. Bildcharakteristika Der Bildeindruck der Kernspintomogramme wird durch drei für die einzelnen Gewebearten charakteristische physikalische Eigenschaften bestimmt. Je nach dem, welche Größe das Bild dominiert, spricht man von einer "Wichtung". Durch die Wahl der Pulssequenz wird der Einfluss der Eigenschaften auf das Bild festgelegt. 1. Protonendichte: Je höher der prozentuale Anteil von Wasserstoffatomen in einem Bildelement ist, um so höher ist die Helligkeit des Bildpunktes. 2. T1-Relaxation: Nach Abschalten des HF-Anregungspulses beginnen die Spins in ihre ursprüngliche Orientierung zurückzukehren. Dieser Vorgang wird als Relaxation bezeichnet und verläuft exponentiell mit der Zeit. Die Zeitkonstante dieses Vorganges wird als T1- oder auch Spin-Gitter-Relaxationszeit bezeichnet. 3. T2-Relaxation: Durch den HF-Puls werden in einem Bildpunkt Millionen von Wasserstoffatomen angeregt. Je nach chemischer Bindung werden die einzelnen Atome durch die magnetischen Felder ihrer Nachbarn beeinflusst und haben so jeweils eine geringfügig unterschiedliche Lamorfrequenz. Damit rotieren sie mit verschiedenen Geschwindigkeiten um die Achse des äußeren Magnetfeldes. Je länger man wartet, umso mehr verteilen sich die Einzelspins, so dass die Gesamtmagnetisierung insgesamt geringer wird. Auch dieser Vorgang verläuft exponentiell mit der Zeit, wobei die Zeitkonstante als T2- oder auch Spin-Spin-Relaxationszeit bezeichnet wird. Literatur Neben vielen Monografien zur Technik der Kernspintomographie z.B. (1, 2) seien hier als Übersichtsartikel (3) und zur Vertiefung (4, 5) genannt. Unter (6) findet man ein interaktives Lehrbuch. 1. Hornak JP: The Basics of NMR. Rochester Institute of Technology. www.cis.rit.edu/htbooks/mri/. 2. Pykett IL: NMR Imaging in Medicine. Sci Amer 246,5 (1982) 54-64 3. Lissner J, Seiderer M (Hrsg.): Klinische Kernspintomographie. Enke Stuttgart (1987) 4. Stark DD (Hrsg.): Magnetic Resonance Imaging. Second Edition. Mosby-Year Book St. Louis (1992) 5. Hinshaw WS: Image formation by nuclear magnetic resonance: The sensitive-point method. J Appl Phys 47,8 (1976) 3709-3721 6. Hinshaw WS, Lent AH: An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation. Proc IEEE 71,3 (1983) 338-350

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Literatur