Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)

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1 Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)
Grundlagen der NMR-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen Wolfgang Dreher Fachbereich 2 (Biologie/Chemie) Universität Bremen WS 2011/2012

2 Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie
■■■ Gliederung Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie NMR-Effekt und NMR-Spektroskopie Erfindung und Grundprinzip der NMR-Tomographie Kontrastmechanismen und Anwendungebereiche der NMR-Tomographie Quantitative Fluss- und Diffusions-Messungen mittels MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Räumliche und zeitliche Auflösung NMR-Tomographen an der Universität Bremen Zusammenfassung WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

3 Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie
■■■ 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)

4 Graphik aus wikipedia.org
■■■ 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)

5 Tomographische Verfahren
■■■ 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-Emissions-Computer-Tomographie (SPECT) Messung von g-Quanten, die von Radionukliden emittiert werden Sonographie (Ultraschalldiagnostik) Reflexion und Transmission von Ultraschall (typ MHz) … MRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische Anwendungsbereiche WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

6 ■■■ NMR-Effekt Der NMR-Effekt 1945/46: Entdeckung des NMR- Effektes („nuclear magnetic resonance“) E. Purcell et al. ( ) F. Bloch et al. ( ) Nobelpreis für Physik 1952 Atomkerne können Kernspin (Eigendrehimpuls) besitzen (Quantenzahl I ) in statischem Magnetfeld B0||z: „Zeeman-Effekt“: lz=m.(h/2p) mit m=-I, I+1, ..., I magn. Moment: (g ... gyromagn. Verhältnis) diskrete Energieniveaus: Grundgleichung: WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

7 ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit w0)
■■■ NMR-Effekt Der NMR-Effekt Besetzung der Energieniveaus gemäß der Boltzmann-Statistik Herausbildung einer makroskopischen Kernmagnetisierung (im Gleichg.) Blochsche Gleichung für die zeitliche Entwicklung der makroskopischen Kernmagnetisierung ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit w0) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

8 Der NMR-Effekt Blochsche Gleichung
... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit w0) 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)

9 wichtige NMR-aktive Kerne
■■■ NMR-Effekt wichtige NMR-aktive Kerne NMR-Tomographie („magnetic resonance imaging“, „MRI“) nutzt vor allem die Protonen (1H) des Wassers SRV ~ g3.B0x (x= /4) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

10 NMR-Spektroskopie 1945/46: NMR-Effekt
1950: Entdeckung der „chemischen Verschiebung“ („chemical shift“): s ... 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 WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

11 ■■■ 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, (2001).) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

12 Der NMR-Tomographie 1971: R. Damadian (*1936):
T1-Unterschiede für Wassersignale von gesunden Zellen und Tumor-Zellen (Messverfahren: „FONAR“) 1973: P. C. Lauterbur ( ): NMR-Tomographie als Projektions-Rekonstruktions-Verfahren („NMR zeugmatography“) 1973: P. Mansfield (*1933): NMR-Tomographie als „NMR diffraction“ 2003: Nobelpreis für Medizin WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

13 ■■■ NMR-Tomographie Der NMR-Tomographie primär: 1H-NMR des Wassersignals (ein Singulettsignal !) Einsatz von zusätzlichen Magnetfeld- Gradienten („B0-Gradienten“) Lauterbur: Projektions-Rekonstruktions-Verfahren mittels Np Messungen mit Np Gradientenrichtungen WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

14 MRI mittels Projektion-Rekonstruktion
■■■ NMR-Tomographie MRI mittels Projektion-Rekonstruktion Gefilterte Rückprojektion für ein simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, Df=1°) 100 50 75 gefilterte Rückprojektion simuliertes Phantom WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

15 NMR-Spektrometer / Tomograph
■■■ NMR-Effekt NMR-Spektrometer / Tomograph Messsignal: präzedierende Kernmagnetisierung induziert Wechselspannung in Empfangsspule Signalverarbeitung: Fourier-transformation (FT) ergibt die Frequenz- und Amplituden-verteilung der Signalbeiträge nicht-magnetische Proben messbar ! WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

16 Lokalisierungsprinzipien
■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

17 Lokalisierungsprinzipien
■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

18 Lokalisierungsprinzipien
■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) spin warp imaging „parallele Verfahren“ Reco mittels 2D-FT WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

19 Lokalisierungsprinzipien
■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. der HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“, „Schichtselektion“) Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) frequenzselektive HF-Pulse (z.B. durch Amplituden-modulation) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

20 Schichtselektive 2D-MRI-Messung
■■■ NMR-Tomographie Schichtselektive 2D-MRI-Messung B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) B0-Gradient während der HF-Pulse („räumlich selekt. Anregung“) B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signal- detektion („Phasenkodierung“) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

21 k-Raum-Daten und NMR-Bild
■■■ NMR-Tomographie k-Raum-Daten und NMR-Bild ky kx 2D-FT 3D-FT 3D: s(kx,ky,kz) D-Bild WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

22 Lokalisierungsprinzipien
■■■ NMR-Tomographie Lokalisierungsprinzipien B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“) B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“) B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“) Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

23 NMR-Kontrastmechanismen (I)
■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (I) Spindichte r ( Wassergehalt) T1-Relaxationszeit T2-Relaxationszeit Blochgleichung ! r-gewichtetes Bild T1-gewichtetes Bild T2-gewichtetes Bild WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

24 NMR-Kontrastmechanismen (II)
■■■ 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)

25 NMR-Kontrastmechanismen (III)
■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (III) 5. T2*-Relaxationszeit: Magnetfeld- inhomogenitäten funktionelle Bildgebung (fMRI): mittelbaren Detektion von Gehirnaktivitäten Gradientenecho-Sequenz: 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)

26 NMR-Kontrastmechanismen (IV)
■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (IV) 6. Flussgeschwindigkeit (Medizin: Angiographie / Gefäßdarstellung) 7. Diffusion (Selbstdiffusion des Wassers, „DWI“) 8. Perfusion (Gewebedurchblutung) diffusions- gewichtete Bilder perfusions- gewichtete Bilder NMR-Angiogramm WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

27 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)

28 Fluss-MRI: Flugzeit-Verfahren
einfache Implementierung Standard-Auswertung senkrechter Fluss zur Schichtrichtung selektiv für bestimmte Geschwindigkeits-Intervalle WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

29 Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
Messung 1: ohne Kodiergradienten In jedem Voxel: Signal mit Phase f1 Messung 2: mit Kodiergradienten (f2) geschwindigkeitsabh. Phasenänderung Zusatzphase #1 180°-Puls Zusatzphase #2 #1 + #2 WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

30 Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
Differenzphase Geschwindigkeit vz (Gf=Gz): WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

31 Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
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 3D-Darstellung des Flussverhaltens ... Eindeutigkeit der Geschwindig-keitswerte durch geeignete Parameter (d,D,Gf) Grenzen der Ortsauflösung: SRV Grenzen der Zeitauflösung: T1, T2 WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

32 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)

33 Fluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

34 Fluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen
Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung aus: Sederman et al., J. Magn. Reson. 166, (2004). WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

35 Diffusions-MRI Selbstdiffusion des Wassers Diffusionskoeffizient D
■■■ DWI Diffusions-MRI Selbstdiffusion des Wassers Diffusionskoeffizient D Diffusionszeit tD Einstein-Relation: 1965: Stejskal/Tanner-Experiment für das j-te diffundierende Teilchen: ohne Diff.gradient (GD=0): S(TE)=s(2t)=S0 GD>0: S(TE)=s(2t)=S0.exp(-b.D) mit b=g2.GD2.d2.(D-d/3) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

36 ■■■ 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 % ! Patient mit Schlaganfall: diffusionsgew. Signal Schlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. Zeit WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

37 ■■■ 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)

38 Diffusions-Tensor-MRI
■■■ DWI Diffusions-Tensor-MRI Maß für Anisotropie: („fractional anisotropy“) mit 0 ≤ FA ≤ 1 aus: B.J. Jallison et al., AJNR 25, (2004). Anwendung: Darstellung von Nervenfasern („MR-Traktographie“) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

39 NMR-Kontrastmechanismen (IV)
■■■ NMR-Kontraste NMR-Kontrastmechanismen (IV) Temperatur Druck (mittels Kontrastmitteln) Elastizität ... WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

40 Nicht-medizinische NMR-Tomographie
■■■ 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)

41 Nicht-medizinische NMR-Tomographie
■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 2005. 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)

42 Nicht-medizinische NMR-Tomographie
■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 2005. 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)

43 Nicht-medizinische NMR-Tomographie
■■■ nicht-mediz. MRI Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 2005. 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)

44 ■■■ 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)

45 Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

46 MRI: Beispiele für nicht-medizinische Anwendungen
■■■ 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)

47 MRI: räumliche Auflösung
■■■ MRI: Auflösung MRI: räumliche Auflösung Fragestellung / Messprobe: notw. SRV in Voxel ? Probengröße ? => Matrixgröße => HF-Spule (Signalempfang) Kern ? (1H bevorzugt) Konzentration / Spindichte Relaxationszeiten T1, T2, T2* Fluss / (Selbst-)Diffusion verfügbare Hardware: B0 (=> SRV) HF-Spule(n) Empfang: SRV Sende: min. Pulslängen Gradienten max. Stärke max. Schaltrate WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

48 MRI: zeitliche Auflösung
■■■ MRI: Auflösung MRI: zeitliche Auflösung Fragestellung / Messprobe: Räumliche Auflösung ? 1D, 2D oder 3D Matrixgröße Eigenschaften der Messsequenz Gradientenecho vs. Spinecho Einfachecho vs. Mehrfachecho Wiederholzeit TR (Abstand zwischen Teilmessungen) verfügbare Hardware: B0 (=> SRV) HF-Spule(n) Empfang: SRV, Vielkanal- spulen Sende: min. Pulslängen Gradienten max. Stärke max. Schaltrate WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

49 MRI: typische Auflösung (1H, Wasser)
■■■ MRI: Auflösung MRI: typische Auflösung (1H, Wasser) räumlich: „Ganzkörper-NMR-Tomogr.“: 0.5 – 5 mm „Tier-NMR-Tomogr.“: 50 mm – 1 mm optimierte Systeme Hochfeld Spezial-HF-Spulen Spezial-Gradienten 10 mm – 100 mm zeitlich: 2D: 10 ms – … min. 3D: … s - … h WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

50 NMR-Tomographen an der Univ. Bremen
7T-Biospec (Bruker, 2008) „Tierscanner“ z.Z. Gradienten: max 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 WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

51 7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen
■■■ 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. WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

52 Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE)
■■■ MRI bei 7T Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

53 7-Tesla-NMR-Tomographen an der Univ. Bremen
■■■ 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). WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

54 Messung am schlagenden Rattenherz (10 Phasen, Intragate-Technik)
■■■ MRI bei 7T Messung am schlagenden Rattenherz (10 Phasen, Intragate-Technik) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

55 ■■■ 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)

56 NMR-Tomographen an der Univ. Bremen
7T-Biospec (Bruker, 2008) „Tierscanner“ Gradienten: max 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: Material- untersuchungen 1H- und X-Kerne 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-vivo-Messungen“ nur 1H WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

57 NMR-Tomographen an der Univ. Bremen
7T-Biospec (Bruker, 2008) „Tierscanner“ Gradienten: max 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: Material- untersuchungen 1H- und X-Kerne 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 WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

58 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) WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)