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

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

2 Gliederung WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie 1.NMR-Effekt und NMR-Spektroskopie 2.Erfindung und Grundprinzip der NMR- Tomographie 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

3 Literatur WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie Literatur: H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Verfahren für die medizinische Diagnostik, Publicis, A. Oppelt (Ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, Hashemi, Bradley, Lisani: MRI. The Basics, Wolters Kluwe & Lippincott, S. Stapf, S.-I. Han (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering, Wiley, I. Koptyuk (Hrsg.): The Frontiers of Nonmedical MRI (vol.32(1-2) of Applied Magnetic Resonance, 2007.

4 Einführung WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Tomographie Duden: altgriechisch: –τομή (tome): Schnitt –γράφειν (graphein): schreiben Schnittbildverfahren –Messung von Schnittbilder (S 1, S 2, …) statt einfacher Projektionen P Vielzahl der tomographischen Verfahren: –physikal. Grundprinzip –spezielle Messverfahren Graphik aus wikipedia.org

5 Einführung WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Tomographische Verfahren Tomographie-VerfahrenPhysik. Grundlage NMR-T. (MRT, MRI)NMR-Signal Röntgen-Computer-T. (X-CT)Schwächung von Röntgenstrahlen Positronen-Emissions-T. (PET) Messung von je 2 -Quanten bei Annihilation von Positronen Einzel-Photonen-Emissions- Computer-Tomographie (SPECT) Messung von -Quanten, die von Radionukliden emittiert werden Sonographie (Ultraschalldiagnostik)Reflexion und Transmission von Ultraschall (typ MHz) …… MRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische Anwendungsbereiche

6 NMR-Effekt WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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 B 0 ||z: Zeeman-Effekt: l z =m. (h/2 ) mit m=-I, I+1,..., I magn. Moment: (... gyromagn. Verhältnis) diskrete Energieniveaus: Grundgleichung:

7 NMR-Effekt WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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 0 )... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 0 )

8 NMR-Effekt WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Der NMR-Effekt Blochsche Gleichung... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 0 )... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 0 ) T 1... Spin-Gitter-Relaxationszeit T 1... Spin-Gitter-Relaxationszeit (longitudinale Relaxation) (longitudinale Relaxation) T 2... Spin-Spin-Relaxationszeit T 2... Spin-Spin-Relaxationszeit (transversale Relaxation) (transversale Relaxation) stets: T 2 T 1 stets: T 2 T 1 Bereits Hinweis aus Kontrastvielfalt der NMR-Tomographie !

9 NMR-Effekt WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) wichtige NMR-aktive Kerne NMR-Tomographie (magnetic resonance imaging, MRI) nutzt vor allem die Protonen ( 1 H) des Wassers SRV ~ 3. B 0 x (x=1... 7/4)

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

11 NMR-Spektroskopie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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 1 H-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).)

12 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Der NMR-Tomographie 1973: P. C. Lauterbur ( ): NMR-Tomographie als Projektions- Rekonstruktions-Verfahren (NMR zeugmatography) 1971: R. Damadian (*1936): T 1 -Unterschiede für Wassersignale von gesunden Zellen und Tumor- Zellen (Messverfahren: FONAR) 1973: P. Mansfield (*1933): NMR-Tomographie als NMR diffraction 2003: Nobelpreis für Medizin

13 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Der NMR-Tomographie primär: 1 H-NMR des Wassersignals (ein Singulettsignal !) Einsatz von zusätzlichen Magnetfeld- Gradienten (B 0 -Gradienten) Lauterbur: Projektions- Rekonstruktions-Verfahren mittels N p Messungen mit N p Gradientenrichtungen

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

15 NMR-Effekt WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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 !

16 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Lokalisierungsprinzipien 1.B 0 -Gradient während der Signaldetektion (Frequenzkodierung) 2.B 0 -Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion (Phasenkodierung) 3.B 0 -Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse (räumlich selektive Anregung) 4.Vielkanal-HF-Spulen (array coils)

17 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Lokalisierungsprinzipien 1.B 0 -Gradient während der Signaldetektion (Frequenzkodierung) 2.B 0 -Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion (Phasenkodierung) 3.B 0 -Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse (räumlich selektive Anregung) 4.Vielkanal-HF-Spulen (array coils)

18 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Lokalisierungsprinzipien 1.B 0 -Gradient während der Signaldetektion (Frequenzkodierung) 2.B 0 -Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion (Phasenkodierung) 3.B 0 -Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse (räumlich selektive Anregung) 4.Vielkanal-HF-Spulen (array coils) spin warp imaging parallele Verfahren Reco mittels 2D-FT

19 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Lokalisierungsprinzipien 1.B 0 -Gradient während der Signaldetektion (Frequenzkodierung) 2.B 0 -Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion (Phasenkodierung) 3.B 0 -Gradient während der HF-Anregung bzw. der HF-Pulse (räumlich selektive Anregung, Schichtselektion) 4.Vielkanal-HF-Spulen (array coils) frequenzselektive HF-Pulse (z.B. durch Amplituden- modulation)

20 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Schichtselektive 2D-MRI-Messung 1.B 0 -Gradient während der Signaldetektion (Frequenzkodierung) 2.B 0 -Gradient während der HF-Pulse (räumlich selekt. Anregung) 3.B 0 -Gradienten zwischen HF-Anregung und Signal- detektion (Phasenkodierung)

21 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) k-Raum-Daten und NMR-Bild kxkxkxkx kykykyky 2D-FT 3D: s(k x,k y,k z ) 3D-Bild 3D-FT

22 NMR-Tomographie WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Lokalisierungsprinzipien 1.B 0 -Gradient während der Signaldetektion (Frequenzkodierung) 2.B 0 -Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion (Phasenkodierung) 3.B 0 -Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse (räumlich selektive Anregung) 4.Vielkanal-HF-Spulen (array coils)

23 NMR-Kontraste WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Kontrastmechanismen (I) 1.Spindichte ( Wassergehalt) 2.T 1 -Relaxationszeit 3.T 2 -Relaxationszeit T 1 -gewichtetes BildT 2 -gewichtetes Bild -gewichtetes Bild Blochgleichung !

24 NMR-Kontraste WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Kontrastmechanismen (II) 4. Magnetisierungstransfer Wechselwirkung der Wasserprotonen mit Makromolekülen Sättigungstransfer zwischen Spinreservoirs Detektion von Multipler Sklerose oder Demenzerkrankungen Kontrastverstärkung für Angiographie (Gefäßdarstellung)

25 NMR-Kontraste WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Kontrastmechanismen (III) 5. T 2 *-Relaxationszeit: fMRI: aktivierte Areale über anatomischem MR-Bild Magnetfeld-inhomogenitäten funktionelle Bildgebung (fMRI): mittelbaren Detektion von Gehirnaktivitäten Gradientenecho-Sequenz: Oxy-Hämoglobin: diamagnetisch Deoxy-Hämoglobin: paramagnetisch

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

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

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

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

30 Fluss-MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren Differenzphase Geschwindigkeit v z (G f =G z ):

31 Fluss-MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Fluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren 4 Messungen –Messung 1: G f =0 –Messung 2: G f =G z –Messung 3: G f =G x –Messung 4: G f =G y In jedem Voxel: Messung der vektoriellen Geschwindigkeit 3D-Darstellung des Flussverhaltens... Eindeutigkeit der Geschwindig- keitswerte durch geeignete Parameter (,,G f ) Grenzen der Ortsauflösung: SRV Grenzen der Zeitauflösung: T 1, T 2

32 Fluss-MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Fluss-MRI: medizinische Anwendungen aus: A. Harloff et al., Magn.Reson.Med. 61, 65-74(2009).

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

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

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

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

37 DWI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Diffusions-MRI Für anisotrope Diffusion: Diffusion-Tensor-Imaging (DTI): – –mindestens 7 Messungen zur Bestimmung des Diffusionstensors

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

39 NMR-Kontraste WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Kontrastmechanismen (IV) 9.Temperatur 10.Druck (mittels Kontrastmitteln) 11.Elastizität

40 nicht-mediz. MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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 –…

41 nicht-mediz. MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, HARDWARE AND METHODS 2.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

42 nicht-mediz. MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 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

43 nicht-mediz. MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Nicht-medizinische NMR-Tomographie Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.): NMR Imaging in Chemical Engineering Wiley, 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

44 remote NMR WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) Remote NMR Das Messobjekt wird nicht in einen Magneten gebracht, sondern Magnet + HF-Spule werden an oder auf die Probe gelegt !

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

46 nicht-mediz. MRI WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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, J. Große et al.,Volume Image Analysis of Ceramic Sponges, Chem. Eng. Technol. 2008, 31, No. 2, 307–314.

47 MRI: Auflösung WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) MRI: räumliche Auflösung Fragestellung / Messprobe: notw. SRV in Voxel ? Probengröße ? –=> Matrixgröße –=> HF-Spule (Signalempfang) Kern ? ( 1 H bevorzugt) Konzentration / Spindichte Relaxationszeiten T 1, T 2, T 2 * Fluss / (Selbst-)Diffusion verfügbare Hardware: B 0 (=> SRV) HF-Spule(n) – –Empfang: SRV – –Sende: min. Pulslängen Gradienten – –max. Stärke – –max. Schaltrate

48 MRI: Auflösung WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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: B 0 (=> SRV) HF-Spule(n) – –Empfang: SRV, Vielkanal- spulen – –Sende: min. Pulslängen Gradienten – –max. Stärke – –max. Schaltrate

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

50 NMR-Tomographen WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Tomographen an der Univ. Bremen 7T-Biospec (Bruker, 2008) Tierscanner z.Z. Gradienten: max. 400 mT/m, Schaltzeit: 100 s HF-Spulen mit d= 72 mm und Spezialspulen methodische Entwicklungen –In-vivo-Spektroskopie –Schnelle MRI –Diffusions-MRI in-vivo-Messungen an Nagern 1 H- und X-Kerne

51 MRI bei 7T WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen MRI: Gehirn Mehrschicht-RARE-Bilder des Rattengehirns: TR=5000 ms, 8 Echos, 16 ms Echoabstand, 125x125x500 m 3 Voxel, 10:40 min Messzeit. MRI an Pflanzen

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

53 MRI bei 7T WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 7-Tesla-NMR-Tomographen an der Univ. Bremen MRI: Abdomen Intragate-Flash-Cine-Messung des Rattenherzens (10 Bilder pro Herzzyklus). koronale 1-mm-Schicht durch Rattenabdomen (Mehrschicht-FLASH-MRI mit Atmungstriggerung). Pancreas der Ratte

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

55 MRS bei 7T WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 1 H-MR-Spektroskopie am Rattengehirn: PRESS (TE=10 ms, ohne Wasserunterdrückung)

56 NMR-Tomographen WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Tomographen an der Univ. Bremen 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 1 H 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: Material- untersuchungen 1 H- und X-Kerne

57 NMR-Tomographen WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) NMR-Tomographen an der Univ. Bremen 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) 1 H, ab 2012/13: auch X-Kerne 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: Material- untersuchungen 1 H- und X-Kerne

58 Zusammenfassung WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik) 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 B 0 -Feldern und damit höherem SRV bzw. höherer Ortsauflösung zunehmend auch nicht-medizinische Anwendungen (Materialforschung)


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