Wie funktioniert MRI?: Eine Einführung in Physik und Funktionsweise der Magnetresonanzbildgebung PDF
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Victor D. Köchli Borut Marincek Wie funktioniert MRI? Eine Einführung in Physik und Funktionsweise der Magnetresonanzbildgebung Mit 34 Abbildungen Springer Dr. med. Victor D. Köchli Departement Medizinische Radiologie Universitäts spital Zürich Rämistr. 100 CH-8091 Zürich Prof. Dr. med. Borut Marincek Departement Medizinische Radiologie Universitätsspital Zürich Rämistr. 100 CH-8091 Zürich ISBN 978-3-540-57743-0 ISBN 978-3-662-13435-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-13435-1 CIP-Code beantragt Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, ins besondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Ver vielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanla gen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfäl tigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechts gesetzes der Bundes republik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zu lässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1994 Die Widergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An nahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Ge setzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikations formen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Satz: Datenkonvertierung durch Springer-Verlag SPIN 10136308 21/3130 - 5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier Vorwort Wie funktioniert eigentlich MRI? Diese Frage wird so oft gestellt, daß wir uns entschlossen haben, unser Modell von der Funktionsweise dieser faszinierenden und zukunftsweisenden Methode zusammen zufassen. Modell, notabene, denn in Tat und Wahrheit sind die physikali schen und technischen Hintergründe viel komplizierter, als wir sie hier darstellen. Aber dieses Skript richtet sich auch nicht an Physiker innen und Physiker, sondern an all diejenigen, die sich für MRI inter essieren, regelmäßig damit zu tun haben oder einfach sonst genauer wissen möchten, was hinter MRI steckt, also z. B. an Ärztinnen und Ärzte, MTRAs, Studentinnen und Studenten. Das Ziel ist deshalb nicht eine fundierte und exakte Abhandlung aller physikalischen Zusam menhänge und Formeln, sondern eine (hoffentlich) verständliche Einführung in die Prinzipien der MR-Bildgebung. Insbesondere werden (hoffentlich!) alle wichtigen Begriffe behan delt, die auch in der klinischen Anwendung von Bedeutung sind, und es wird versucht, die zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge verständlich zu machen. Es geht also trotz allem nicht ohne ein biß chen Physik! Wir danken allen, die uns bei der Verbesserung dieses Skripts mit Rat und Kritik geholfen haben. Besonderer Dank gebührt an dieser Stelle Herrn Constantin von Weymarn, der bei der Überarbeitung des Skripts geholfen und die physikalischen Grundlagen abgesichert hat. Außerdem danken wir Herrn Johannes Fröhlich von der Firma Guerbet AG für seine zahlreichen konstruktiven Anregungen. Wir sind auch in Zukunft froh um jede Kritik, die es uns ermöglicht, diese Ein führung zu verbessern, damit sie ihr Ziel erreichen kann. Zürich, Sommer 1994 Victor Köchli Borut Marincek 7 Inhalt Spins und das MR-Phänomen 11 Relaxation . . . . . . . 19 Tl: Longitudinale Relaxation . 19 T2 und T2*: Transversale Relaxation 20 Bildkontrast 23 Repetitionszeit TR und die Tl-Gewichtung 24 Echozeit TE und die T2-Gewichtung 26 Sättigung bei kurzer Repetitionszeit 29 Pulswinkel ("flip angle") 30 Schichtwahl und Ortscodierung 31 DerK-Raum 35 Sequenzen . 37 Spin-Echo-Sequenz(SE) 38 Outflow-Effekt . . . . 40 Verschachtelte Bildaufnahme 41 Gradientenecho-Sequenz . . 42 Mehrfache Echos und schnelle Sequenzen 43 Echozeit und T2-Kontrast in schnellen Sequenzen 47 MR-Angiographie . . . . 49 Inflow-Angiographie. . . . 49 Phasenkontrast- Angiographie 51 Aufbau eines MR-Tomographen 55 8 Inhalt MRI in der Praxis. . . . . 57 Was kann MR? . . . . . . 57 Parameter einer MR-Sequenz 58 Bildqualität, Rauschabstand und Oberflächenspulen 59 Risiken und Strahlenbelastung 61 Kontraindikationen . . . . 62 MR-Kontrastmittel ............... 63 Artefakte im MR-Bild 75 Bewegungs- und Flußartefakte 75 Phase wrapping 76 Fat shift 78 Suszeptibilität 80 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9 In diesem Skript werden wiederholt die Begriffe "Z-Richtung" und "XY-Ebene" auftauchen. In allen Abbildungen verläuft das äußere Magnetfeld Bo von unten nach oben, und wir bezeichnen diese Rich tung als Z. Die beiden anderen Dimensionen sind X und Y. Die XY Ebene steht senkrecht auf der Z-Achse und liegt somit in unseren Ab bildungen horizontal (Abb. 1). z y x Abbildung 1 Richtung der Dimensionen X, Y und Z in den Darstellungen dieses Skripts, sofern nicht anders angegeben 11 Spins und das MR-Phänomen Das klinische MRI verwendet die Kerne von Wasserstoffatomen ('H) zur Bildgebung. Wasserstoffatome besitzen als Kern nur ein einziges Teilchen, ein Proton, um welches das Elektron der Hülle kreist (Abb. 2). Das Proton ist positiv, das Elektron negativ geladen, und das ganze Atom ist somit elektrisch neutral. Im folgenden beschäftigen wir uns nur noch mit dem Proton. Abbildung 2 (5. Text) 12 Spins und das MR-Phänomen Neben seiner positiven elektrischen Ladung besitzt das Proton noch die Eigenschaft des Spins, eine Grundeigenschaft der Elementarteil chen. Er ist eigentlich nichts anderes als ein Drall (engl. "to spin"= sich drehen). Das Proton dreht sich also um sich selber wie ein Kreisel. Das hat zwei Auswirkungen: Da es eine rotierende Masse m ist, besitzt es einen Drehimpuls M. Das bedeutet, daß sich das Proton wie ein Kreisel verhält, also die räumliche Lage der Rotationsachse beibehalten will (Abb. 3). N Abbildung 3 (s. Text) s Da es gleichzeitig eine rotierende elektrische Ladung ist, besitzt ~s zu dem ein magnetisches Moment B und verhält sich wie ein kleiner Ma gnet, d. h. es wird von Magnetfeldern und elektromagnetischen Wel len beeinflußt, und wenn es sich bewegt, wird in einer (Empfangs-) Spule eine Spannung induziert. Im Gegensatz zum Kreisel können wir allerdings in den Wasserstoffkern nicht hineinsehen, und auch seine Eigenrotation, der Spin, ist von außen nicht sichtbar. Das Proton ist für uns geschlossen, eine "black box". Wir können aber die Lage der Rotationsachse am Magnetvektor B erkennen. Wenn wir in Zukunft davon sprechen, wie ein Spin sich bewegt, dann meinen wir also nicht den (unsichtbaren) 13 Spins und das MR-Phänomen Drall des Protons, sondern immer die Bewegung seiner "sichtbaren" magnetischen Achse B. Diese Bewegung können wir "sehen", weil sie in einer Empfangsspule ein Signal erzeugt, wie dies auch der Magnet in einem elektrischen Generator (z. B. Fahrraddynamo) tut. Es gibt noch einen weiteren, sehr wichtigen Unterschied: Während ein Kreisel abgebremst werden und schlußendlich zum Stillstand kommen kann, ist dies beim Spin nicht möglich. Er ist immer gleich stark und kann nie beschleunigt oder abgebremst werden, eben weil er eine Grundeigenschaft der Elementarteilchen ist. Der Spin ist ein fach immer da! Wie verhält sich nun so ein Spin, wenn er in ein starkes Magnetfeld gebracht wird? Wir wollen dies am analogen Beispiel des Kreisels un tersuchen: Wirkt eine äußere Kraft (in der Regel die Schwerkraft G) auf einen Kreisel und versucht, die Lage der Rotationsachse zu verändern, so macht der Kreisel eine Ausweichbewegung, die wir als Prä zessionsbewegung bezeichnen. Weil aber die Reibung (z. B. an der Spitze) dem Kreisel Energie entzieht und ihn bremst, neigt sich seine Achse immer mehr, bis er schließlich umfällt (Abb. 4). Abbildung 4 (5. Text) G
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