Transcript Der NMR-Tomographie - Arbeitsgruppe "in-vivo-MR"

Grundlagen der NMR-Tomographie
und
biomedizinische + materialwiss.
Anwendungen
Wolfgang Dreher
Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)
Universität Bremen
WS 2011/2012
■■■ Gliederung
Grundlagen und Anwendungen
der NMR-Tomographie
1.
NMR-Effekt und NMR-Spektroskopie
2.
Erfindung und Grundprinzip der NMRTomographie
3.
Kontrastmechanismen und
Anwendungebereiche der NMR-Tomographie
4.
Quantitative Fluss- und Diffusions-Messungen
mittels MRI
5.
Nicht-medizinische NMR-Tomographie
6.
Räumliche und zeitliche Auflösung
7.
NMR-Tomographen an der Universität Bremen
8.
Zusammenfassung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Literatur
Grundlagen und Anwendungen
der 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.
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Einführung
Tomographische Verfahren
Tomographie-Verfahren
Physik. Grundlage
NMR-T. (MRT, MRI)
NMR-Signal
Röntgen-Computer-T. (X-CT)
Schwächung von Röntgenstrahlen
Positronen-Emissions-T. (PET)
Messung von je 2 g-Quanten bei
Annihilation von Positronen
Einzel-Photonen-EmissionsComputer-Tomographie (SPECT)
Messung von g-Quanten, die von
Radionukliden emittiert werden
Sonographie (Ultraschalldiagnostik) Reflexion und Transmission von
Ultraschall (typ. 1-40 MHz)
…
…
MRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische Anwendungsbereiche
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Effekt
Der NMR-Effekt

1945/46:
Entdeckung des NMR- Effektes 
(„nuclear magnetic resonance“)

E. Purcell et al.
(1912-1997)


Atomkerne können Kernspin
(Eigendrehimpuls) besitzen l
(Quantenzahl I  0)
in statischem Magnetfeld B0||z:
„Zeeman-Effekt“: lz=m.(h/2p)
mit m=-I, I+1, ..., I


magn. Moment: μ  g  l
(g ... gyromagn. Verhältnis)

F. Bloch et al.
(1905-1983)



diskrete Energieniveaus:
 
E  μ  B0
E  g  (h / 2p)  B0
Grundgleichung:
Nobelpreis für Physik 1952
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0  2p   0  g  B0
■■■ NMR-Effekt
Der NMR-Effekt

Besetzung der
Energieniveaus
gemäß der
Boltzmann-Statistik

Herausbildung einer
makroskopischen
Kernmagnetisierung

M 0 || z (im Gleichg.)

Blochsche Gleichung
für die zeitliche
Entwicklung der
makroskopischen
Kernmagnetisierung
 

B  B0  B1

 
dM( t ) / dt  g  [M  B] 


Mx  My
T2


Mz  M0

T1

B1 ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 0)
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■■■ NMR-Effekt
Der NMR-Effekt

Blochsche Gleichung

 
dM( t ) / dt  g  [M  B] 


Mx  My
T2


M  M0
 z
T1
 

B  B0  B1

B1 ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 0)
T1 ... Spin-Gitter-Relaxationszeit
(longitudinale Relaxation)
T2 ... Spin-Spin-Relaxationszeit
(transversale Relaxation)
stets: T2 ≤ T1
Bereits Hinweis aus Kontrastvielfalt der NMR-Tomographie !
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Spektroskopie
NMR-Spektroskopie

1945/46: NMR-Effekt

1950: Entdeckung der „chemischen Verschiebung“ („chemical shift“):
0  2p   0  g  B0  (1  )
 ... 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
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■■■ 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).)
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■■■ NMR-Tomographie
Der NMR-Tomographie


1971: R. Damadian (*1936):
T1-Unterschiede für Wassersignale
von gesunden Zellen und TumorZellen (Messverfahren: „FONAR“)
1973: P. C. Lauterbur (1929-2007):
NMR-Tomographie als ProjektionsRekonstruktions-Verfahren
(„NMR zeugmatography“)

1973: P. Mansfield (*1933):
NMR-Tomographie als
„NMR diffraction“
2003:
Nobelpreis
für Medizin
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■■■ NMR-Tomographie
Der NMR-Tomographie

primär: 1H-NMR des Wassersignals
(ein Singulettsignal !)
0  2p   0  g  B0

Einsatz von zusätzlichen
Magnetfeld- Gradienten
(„B0-Gradienten“)

B 0 z B 0 z B 0 z
G  (G x , G y , G z )  (
,
,
)
x
y
z
 


0 ( r )  2p   0 ( r )  g  (B0  G  r )
Lauterbur: ProjektionsRekonstruktions-Verfahren
mittels Np Messungen mit
Np Gradientenrichtungen
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■■■ NMR-Tomographie
MRI mittels Projektion-Rekonstruktion
Gefilterte Rückprojektion für ein simuliertes Phantom mit drei Intensitäten
(128*128-Bild, 180 Projektionen, f=1°)
100
50
75
simuliertes Phantom
gefilterte
Rückprojektion
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■■■ NMR-Effekt
NMR-Spektrometer / Tomograph

Messsignal:
präzedierende
Kernmagnetisierung
induziert
Wechselspannung
in Empfangsspule

Signalverarbeitung:
Fouriertransformation (FT)
ergibt die Frequenzund Amplitudenverteilung der
Signalbeiträge

WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
nicht-magnetische
Proben messbar !
■■■ NMR-Tomographie
Lokalisierungsprinzipien
1.
B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“)
2.
B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion
(„Phasenkodierung“)
3.
B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse
(„räumlich selektive Anregung“)
4.
Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Tomographie
Lokalisierungsprinzipien
1.
B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“)
2.
B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion
(„Phasenkodierung“)
3.
B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse
(„räumlich selektive Anregung“)

4.
Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)

k  g   G()d
t
0
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Tomographie
Lokalisierungsprinzipien
1.
B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“)
2.
B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion
(„Phasenkodierung“)
3.
B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse
(„räumlich selektive Anregung“)
4.
Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)
t 

k  g   G()d
0



WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
spin warp
imaging
„parallele
Verfahren“
Reco mittels
2D-FT
■■■ NMR-Tomographie
Lokalisierungsprinzipien
1.
B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“)
2.
B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion
(„Phasenkodierung“)
3.
B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. der HF-Pulse
(„räumlich selektive Anregung“, „Schichtselektion“)
4.
Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)
 

 0 ( r )  (g / 2p)  (B0  G  r )
frequenzselektive HF-Pulse
(z.B. durch Amplitudenmodulation)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Tomographie
Schichtselektive 2D-MRI-Messung
1.
B0-Gradient während
der Signaldetektion
(„Frequenzkodierung“)
2.
B0-Gradient während
der HF-Pulse
(„räumlich selekt. Anregung“)
3.
B0-Gradienten zwischen
HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Tomographie
k-Raum-Daten und NMR-Bild
ky
kx
t 

k  g   G()d
0
2D-FT
3D-FT
3D: s(kx,ky,kz)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
3D-Bild
■■■ NMR-Tomographie
Lokalisierungsprinzipien
1.
B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“)
2.
B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion
(„Phasenkodierung“)
3.
B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse
(„räumlich selektive Anregung“)
4.
Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Kontraste
NMR-Kontrastmechanismen (I)
1.
Spindichte r ( Wassergehalt)
2.
T1-Relaxationszeit
3.
T2-Relaxationszeit
r-gewichtetes Bild
Blochgleichung !
T1-gewichtetes Bild
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
T2-gewichtetes Bild
■■■ NMR-Kontraste
NMR-Kontrastmechanismen (II)
4. Magnetisierungstransfer
•
Wechselwirkung der Wasserprotonen mit Makromolekülen
•
Sättigungstransfer
zwischen Spinreservoirs
•
Detektion von Multipler Sklerose oder Demenzerkrankungen
•
Kontrastverstärkung für Angiographie (Gefäßdarstellung)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Kontraste
NMR-Kontrastmechanismen (III)
5. T2*-Relaxationszeit:
1
1 1
  '
*
T2 T2 T2
Magnetfeldinhomogenitäten
funktionelle Bildgebung (fMRI): mittelbaren Detektion von Gehirnaktivitäten
*
Gradientenecho-Sequenz: s(TE )  s0  exp( TE / T2 )
Oxy-Hämoglobin: diamagnetisch
Deoxy-Hämoglobin: paramagnetisch
fMRI: aktivierte Areale über
anatomischem MR-Bild
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Kontraste
NMR-Kontrastmechanismen (IV)
6. Flussgeschwindigkeit (Medizin: Angiographie / Gefäßdarstellung)
7. Diffusion (Selbstdiffusion des Wassers, „DWI“)
8. Perfusion (Gewebedurchblutung)
diffusionsgewichtete
Bilder
perfusionsgewichtete
Bilder
NMR-Angiogramm
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: Flugzeit-Verfahren

einfache
Implementierung

Standard-Auswertung

senkrechter Fluss zur
Schichtrichtung

selektiv für bestimmte
GeschwindigkeitsIntervalle
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
0 ( z )  g  ( B0  Gz  z )
t
( t )  gB 0 t   gG z z()d
0
  
Zusatzphase #1
180°-Puls
Zusatzphase #2
#1 + #2
1  g  G f  z1  
 1
2  g  G f  z 2  

Messung 1: ohne
Kodiergradienten

In jedem Voxel:
Signal mit Phase f1

Messung 2: mit
Kodiergradienten (f2)

geschwindigkeitsabh.
Phasenänderung 
  2  1  g  G f  (z 2  z1 )  
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  2  1
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
  
Differenzphase
   2  1  g  G f  ( z2  z1 )  
z 2  z1
f

Geschwindigkeit vz (Gf=Gz): v z 

g  Gf    
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren

–
–
–
–
  



Eindeutigkeit der Geschwindigkeitswerte durch geeignete
Parameter (,,Gf)
Grenzen der Ortsauflösung: SRV
Grenzen der Zeitauflösung: T1, T2

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

v  (v x , v y , v z )

3D-Darstellung des
Flussverhaltens ...
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: medizinische Anwendungen
aus: A. Harloff et al., Magn.Reson.Med. 61, 65-74(2009).
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Fluss-MRI
Fluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen
Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung
aus: Sederman et al., J. Magn. Reson. 166, 182-189(2004).
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ DWI
Diffusions-MRI




Selbstdiffusion des
Wassers
Diffusionskoeffizient D
Diffusionszeit D
Einstein-Relation:
 r 2 1dim  2  D   D


1965: Stejskal/Tanner-Experiment
für das j-te diffundierende Teilchen:

ohne Diff.gradient (GD=0): S(TE)=s(2)=S0

GD>0: S(TE)=s(2)=S0.exp(-b.D) mit b=g2.GD2.2.(-/3)
df j  g  G D  z j ( t )  dt
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ DWI
Diffusions-MRI



isotrope Diffusion:
D aus Plot S(b) vs. b
freie,
behinderte,
beschränkte
Diffusion
medizin. Anwendung:
Diagnose bei Schlaganfall
ADC (apparent diffusion coefficient)
sinkt um 20-40 % !
Patient mit Schlaganfall:
diffusionsgew. Signal
Schlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. Zeit
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ DWI
Diffusions-MRI

Für anisotrope Diffusion: „Diffusion-Tensor-Imaging“ (DTI):
– mindestens 7 Messungen zur Bestimmung des Diffusionstensors
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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“)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Kontraste
NMR-Kontrastmechanismen (IV)
9.
Temperatur
10. Druck (mittels Kontrastmitteln)
11. Elastizität
12. ...
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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
–
…
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ nicht-mediz. MRI
Nicht-medizinische NMR-Tomographie
Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.):
NMR Imaging in Chemical Engineering
Wiley, 2005.
1.
2.
–
–
–
–
–
–
–
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
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ nicht-mediz. MRI
Nicht-medizinische NMR-Tomographie
Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.):
NMR Imaging in Chemical Engineering
Wiley, 2005.
3.
–
–
–
–
–
–
–
–
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
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ nicht-mediz. MRI
Nicht-medizinische NMR-Tomographie
Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.):
NMR Imaging in Chemical Engineering
Wiley, 2005.
4.
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
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ remote NMR
Remote NMR
Das Messobjekt wird nicht in einen Magneten gebracht, sondern
Magnet + HF-Spule werden an oder auf die Probe gelegt !
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ remote NMR
Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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.
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ MRI: Auflösung
MRI: räumliche Auflösung
Fragestellung / Messprobe:
verfügbare Hardware:

notw. SRV in Voxel ?

B0 (=> SRV)

Probengröße ?

HF-Spule(n)
– => Matrixgröße
– Empfang: SRV
– => HF-Spule (Signalempfang)
– Sende: min. Pulslängen

Kern ? (1H bevorzugt)

Konzentration / Spindichte

Relaxationszeiten T1, T2, T2*

Fluss / (Selbst-)Diffusion

Gradienten
– max. Stärke
– max. Schaltrate
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ MRI: Auflösung
MRI: zeitliche Auflösung
Fragestellung / Messprobe:
verfügbare Hardware:


B0 (=> SRV)

HF-Spule(n)
Räumliche Auflösung ?
– 1D, 2D oder 3D
– Matrixgröße

Eigenschaften der
Messsequenz
– Gradientenecho vs. Spinecho
– Empfang: SRV, Vielkanalspulen
– Sende: min. Pulslängen

Gradienten
– Einfachecho vs. Mehrfachecho
– max. Stärke
– Wiederholzeit TR (Abstand
zwischen Teilmessungen)
– max. Schaltrate
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ MRI: Auflösung
MRI: typische Auflösung (1H, Wasser)
räumlich:


zeitlich:
„Ganzkörper-NMRTomogr.“:

2D: 10 ms – … min.
0.5 – 5 mm

3D: … s - … h
„Tier-NMR-Tomogr.“:
50 mm – 1 mm

optimierte Systeme
– Hochfeld
– Spezial-HF-Spulen
– Spezial-Gradienten
10 mm – 100 mm
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ 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
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■■■ MRI bei 7T
7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen
MRI: Gehirn
MRI an Pflanzen
Mehrschicht-RARE-Bilder des Rattengehirns:
TR=5000 ms, 8 Echos, 16 ms Echoabstand,
125x125x500 mm3 Voxel,
10:40 min Messzeit.
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■■■ MRI bei 7T
Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ MRI bei 7T
7-Tesla-NMR-Tomographen an der Univ. Bremen
MRI: Abdomen
Pancreas der Ratte
koronale 1-mm-Schicht durch
Rattenabdomen
(Mehrschicht-FLASH-MRI mit
Atmungstriggerung).
Intragate-Flash-Cine-Messung des
Rattenherzens (10 Bilder pro Herzzyklus).
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■■■ MRI bei 7T
Messung am schlagenden Rattenherz
(10 Phasen, Intragate-Technik)
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■■■ MRS bei 7T
1H-MR-Spektroskopie
am Rattengehirn:
PRESS (TE=10 ms, ohne Wasserunterdrückung)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ NMR-Tomographen
NMR-Tomographen an der Univ. Bremen



7T-Biospec (Bruker, 2008)
„Tierscanner“
Gradienten: max. 400 mT/m,
Schaltrate: 4000 mT/m/ms
 HF-Spulen mit d= 72 mm und
Spezialspulen
 methodische Entwicklungen
– In-vivo-Spektroskopie
– Schnelle MRI
– Diffusions-MRI
 in-vivo-Messungen an Nagern
 seit 2010: Materialuntersuchungen

1H-

3T-Allegra (Siemens, 03-Jan.12)

„Kopfscanner“

z.Z. Gradienten: max. 40 mT/m,
Schaltrate: 400 mT/m/ms

HF-Spulen mit d~ 250 mm

primär: fMRI-Messungen

methodische Entwicklungen
(Spektroskopie)

bisher keine „nicht-in-vivoMessungen“

nur 1H
und X-Kerne
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■■■ NMR-Tomographen
NMR-Tomographen an der Univ. Bremen



7T-Biospec (Bruker, 2008)
„Tierscanner“
Gradienten: max. 400 mT/m,
Schaltrate: 4000 mT/m/ms
 HF-Spulen mit d= 72 mm und
Spezialspulen
 methodische Entwicklungen
– In-vivo-Spektroskopie
– Schnelle MRI
– Diffusions-MRI
 in-vivo-Messungen an Nagern
 seit 2010: Materialuntersuchungen

1H-

3T-Skyra (Siemens, 2011-)

„Ganzkörper-Scanner“

Koop. Fhg MeVis - Uni HB

z.Z. Gradienten: max. 40 mT/m,
Schaltrate: 200 mT/m/ms

zahlreiche Vielkanal-HF-Spulen

Uni HB:
– primär: fMRI-Messungen
– methodische Entwicklungen
(Spektroskopie)

1H,
ab 2012/13: auch X-Kerne
und X-Kerne
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Zusammenfassung
Zusammenfassung

NMR-Tomographie: nicht-invasive Bildgebung

primär: medizinische Diagnostik und biomedizinische Forschung
(ohne Gesundheitsgefährdung !)

zahlreiche Kontrastmechanismen

2D-MRI: beliebige Schichtrichtungen

3D-MRI

Trend zu höheren B0-Feldern und damit höherem SRV bzw.
höherer Ortsauflösung

zunehmend auch nicht-medizinische Anwendungen
(Materialforschung)
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