Grundlagen der NMR-Tomographie Grundlagen der NMR-Tomographie
und und
biomedizinische + materialwiss. biomedizinische + materialwiss.
Anwendungen Anwendungen Wolfgang Dreher
Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)Universität Bremen
WS 2011/2012
■■■ Gliederung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Grundlagen und AnwendungenGrundlagen und Anwendungender NMR-Tomographieder 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
■■■ Literatur
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Grundlagen und AnwendungenGrundlagen und Anwendungender NMR-Tomographieder 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.
■■■ Einführung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
„„Tomographie“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.orgGraphik aus wikipedia.org
■■■ Einführung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Tomographische VerfahrenTomographische Verfahren
Tomographie-Verfahren Physik. GrundlageNMR-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. 1-40 MHz)
… …
MRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische AnwendungsbereicheMRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische Anwendungsbereiche
■■■ NMR-Effekt
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Der NMR-EffektDer NMR-Effekt
1945/46: Entdeckung des NMR- Effektes („nuclear magnetic resonance“)
E. Purcell et al.
(1912-1997)
F. Bloch et al.
(1905-1983)
Nobelpreis für Physik 1952
Atomkerne können Kernspin (Eigendrehimpuls) besitzen (Quantenzahl I )
in statischem Magnetfeld B0||z: „Zeeman-Effekt“: lz=m.(h/2) mit m=-I, I+1, ..., I
magn. Moment: ( ... gyromagn. Verhältnis)
diskrete Energieniveaus:
Grundgleichung:
l
0
l
μ
0BE
μ
0B)2/h(E
000 B2
■■■ NMR-Effekt
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Der NMR-EffektDer NMR-Effekt
Besetzung der Energieniveaus gemäß der Boltzmann-Statistik
Herausbildung einer makroskopischen Kernmagnetisierung
(im Gleichg.)
Blochsche Gleichung für die zeitliche Entwicklung der makroskopischen Kernmagnetisierung
z||M 0
1
0z
2
yx
T
MM
T
MM]BM[dt/)t(Md
10 BBB
... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 00))1B
■■■ NMR-Effekt
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Der NMR-EffektDer NMR-Effekt
Blochsche Gleichung 1
0z
2
yx
T
MM
T
MM]BM[dt/)t(Md
10 BBB
... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 00))1B
TT11 ... Spin-Gitter-Relaxationszeit ... Spin-Gitter-Relaxationszeit
(longitudinale Relaxation)(longitudinale Relaxation)
TT22 ... Spin-Spin-Relaxationszeit ... Spin-Spin-Relaxationszeit
(transversale Relaxation)(transversale Relaxation)
stets: Tstets: T22 ≤≤ T T11
Bereits Hinweis aus Kontrastvielfalt der NMR-Tomographie !
■■■ NMR-Effekt
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
wichtige NMR-aktive Kernewichtige NMR-aktive Kerne
NMR-Tomographie („magnetic resonance imaging“, „MRI“) NMR-Tomographie („magnetic resonance imaging“, „MRI“) nutzt vor allem die Protonen (nutzt vor allem die Protonen (11H) des WassersH) des Wassers
SRV ~ SRV ~ 3.3.BB00xx (x=1 ... 7/4) (x=1 ... 7/4)
■■■ NMR-Spektroskopie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-SpektroskopieNMR-Spektroskopie
1945/46: NMR-Effekt
1950: Entdeckung der „chemischen Verschiebung“ („chemical shift“):
)1(B2 000
... 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
■■■ NMR-Spektroskopie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-SpektroskopieNMR-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 gesundenProbanden 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).)
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Der NMR-TomographieDer NMR-Tomographie
1973: P. C. Lauterbur (1929-2007):NMR-Tomographie als Projektions-Rekonstruktions-Verfahren („NMR zeugmatography“)
1971: R. Damadian (*1936):T1-Unterschiede für Wassersignale von gesunden Zellen und Tumor-Zellen (Messverfahren: „FONAR“)
1973: P. Mansfield (*1933): NMR-Tomographie als „NMR diffraction“
2003:
Nobelpreis
für Medizin
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Der NMR-TomographieDer NMR-Tomographie
primär: 1H-NMR des Wassersignals (ein Singulettsignal !)
Einsatz von zusätzlichen Magnetfeld- Gradienten („B0-Gradienten“)
000 B2
)rGB()r(2)r( 000
Lauterbur: Projektions-Rekonstruktions-Verfahren mittels Np Messungen mit Np Gradientenrichtungen
)z
B,
y
B,
x
B()G,G,G(G z0z0z0
zyx
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
MRI mittels Projektion-RekonstruktionMRI mittels Projektion-Rekonstruktion
gefilterte Rückprojektion
Gefilterte Rückprojektion für ein simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°)
simuliertes Phantom
100100 5050 7575
■■■ NMR-Effekt
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Spektrometer / TomographNMR-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 !
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
LokalisierungsprinzipienLokalisierungsprinzipien
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“)
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
LokalisierungsprinzipienLokalisierungsprinzipien
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“) d)(Gk
t
0
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
LokalisierungsprinzipienLokalisierungsprinzipien
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“) d)(Gkt
0
spin warp imaging
„parallele Verfahren“
Reco mittels 2D-FT
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
LokalisierungsprinzipienLokalisierungsprinzipien
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“)
)rGB()2/()r( 00
frequenzselektive HF-Pulse (z.B. durch Amplituden-
modulation)
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Schichtselektive 2D-MRI-MessungSchichtselektive 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 Signal-detektion („Phasenkodierung“)
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
k-Raum-Daten und NMR-Bildk-Raum-Daten und NMR-Bild
kkxx
kkyy
2D-FT2D-FT
d)(Gkt
0
3D: s(k3D: s(kxx,k,kyy,k,kzz) 3D-Bild) 3D-Bild3D-FT3D-FT
■■■ NMR-Tomographie
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
LokalisierungsprinzipienLokalisierungsprinzipien
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“)
■■■ NMR-Kontraste
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Kontrastmechanismen (I)NMR-Kontrastmechanismen (I)
1. Spindichte ( Wassergehalt)
2. T1-Relaxationszeit
3. T2-Relaxationszeit
T1-gewichtetes Bild T2-gewichtetes Bild-gewichtetes Bild
Blochgleichung !Blochgleichung !
■■■ NMR-Kontraste
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Kontrastmechanismen (II)NMR-Kontrastmechanismen (II)
4. Magnetisierungstransfer
• Wechselwirkung der Wasserprotonen mit Makromolekülen
• Sättigungstransferzwischen Spinreservoirs
• Detektion von Multipler Sklerose oder Demenzerkrankungen
• Kontrastverstärkung für Angiographie (Gefäßdarstellung)
■■■ NMR-Kontraste
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Kontrastmechanismen (III)NMR-Kontrastmechanismen (III)
5. T2*-Relaxationszeit:
fMRI: aktivierte Areale über anatomischem MR-Bild
'22
*2
111
TTT Magnetfeld-Magnetfeld-
inhomogenitäteninhomogenitäten
funktionelle Bildgebung (fMRI): mittelbaren Detektion von Gehirnaktivitäten
Gradientenecho-Sequenz:
Oxy-Hämoglobin: diamagnetischDeoxy-Hämoglobin: paramagnetisch
)/exp()( *20 TTEsTEs
■■■ NMR-Kontraste
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Kontrastmechanismen (IV)NMR-Kontrastmechanismen (IV)
6. Flussgeschwindigkeit (Medizin: Angiographie / Gefäßdarstellung)
7. Diffusion (Selbstdiffusion des Wassers, „DWI“)
8. Perfusion (Gewebedurchblutung)
NMR-Angiogramm
diffusions-diffusions-gewichtetegewichteteBilderBilder
perfusions-perfusions-gewichtetegewichteteBilderBilder
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRIFluss-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)
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: Flugzeit-VerfahrenFluss-MRI: Flugzeit-Verfahren
einfache Implementierung
Standard-Auswertung
senkrechter Fluss zur Schichtrichtung
selektiv für bestimmte Geschwindigkeits-Intervalle
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: Phasenkodier-VerfahrenFluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
Messung 1: ohne Kodiergradienten
In jedem Voxel: Signal mit Phase
Messung 2: mit Kodiergradienten ()
geschwindigkeitsabh. Phasenänderung
1f1 zG
2f2 zG
Zusatzphase #1Zusatzphase #1
Zusatzphase #2Zusatzphase #2
#1 + #2#1 + #2 )zz(G 12f12
)()( 00 zGBz z
d)(zGtB)t( z
t
0
0
180°-Puls180°-Puls 1
12
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: Phasenkodier-VerfahrenFluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren
DifferenzphaseDifferenzphase )( 1212 zzG f
Geschwindigkeit vGeschwindigkeit vzz (G (Gff=G=Gzz):):
f
12z G
zzv
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: Phasenkodier-VerfahrenFluss-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 ...
)v,v,v(v zyx Eindeutigkeit der Geschwindig-
keitswerte durch geeignete Parameter (,,Gf)
Grenzen der Ortsauflösung: SRV Grenzen der Zeitauflösung: T1, T2
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: medizinische AnwendungenFluss-MRI: medizinische Anwendungen
aus: A. Harloff et al., Magn.Reson.Med. 61, 65-74(2009).
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: nicht-medizinische AnwendungenFluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen
■■■ Fluss-MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Fluss-MRI: nicht-medizinische AnwendungenFluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen
aus: Sederman et al., J. Magn. Reson. 166, 182-189(2004).
Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung
■■■ DWI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Diffusions-MRIDiffusions-MRI
Selbstdiffusion des Wassers
Diffusionskoeffizient D Diffusionszeit D
Einstein-Relation:
Ddim12 D2r
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=2.GD
2.2.(-/3)
dt)t(zGd jDj
■■■ DWI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Diffusions-MRIDiffusions-MRI
isotrope Diffusion: D aus Plot S(b) vs. b
freie, behinderte,beschränkte Diffusion
medizin. Anwendung: Diagnose bei SchlaganfallADC (apparent diffusion coefficient)
sinkt um 20-40 % !
Schlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. ZeitSchlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. Zeit
Patient mit Schlaganfall: Patient mit Schlaganfall: diffusionsgew. Signaldiffusionsgew. Signal
■■■ DWI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Diffusions-MRIDiffusions-MRI
Für anisotrope Diffusion: „Diffusion-Tensor-Imaging“ (DTI):
–mindestens 7 Messungen zur Bestimmung des Diffusionstensors
■■■ DWI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Diffusions-Tensor-MRIDiffusions-Tensor-MRI
Maß für Anisotropie:
(„fractional anisotropy“)
Anwendung: Darstellung von Nervenfasern („MR-Traktographie“)
aus: B.J. Jallison et al.,AJNR 25, 356-369(2004).
mit 0 mit 0 ≤≤ FA FA ≤ 1≤ 1
■■■ NMR-Kontraste
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Kontrastmechanismen (IV)NMR-Kontrastmechanismen (IV)
9. Temperatur
10. Druck (mittels Kontrastmitteln)
11. Elastizität
12. ...
■■■ nicht-mediz. MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Nicht-medizinische NMR-TomographieNicht-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–…
■■■ nicht-mediz. MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Nicht-medizinische NMR-TomographieNicht-medizinische NMR-Tomographie
Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.):
NMR Imaging in Chemical Engineering
Wiley, 2005.
1. 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
■■■ nicht-mediz. MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Nicht-medizinische NMR-TomographieNicht-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
■■■ nicht-mediz. MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Nicht-medizinische NMR-TomographieNicht-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
■■■ remote NMR
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Remote NMRRemote NMR
Das Messobjekt wird nicht in einen Magneten gebracht, sondern Magnet + HF-Spule werden an oder auf die Probe gelegt !
■■■ remote NMR
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)
■■■ nicht-mediz. MRI
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
MRI: Beispiele für nicht-medizinische AnwendungenMRI: 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.
■■■ MRI: Auflösung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
MRI: räumliche AuflösungMRI: 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
■■■ MRI: Auflösung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
MRI: zeitliche AuflösungMRI: 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
■■■ MRI: Auflösung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
MRI: typische Auflösung (MRI: typische Auflösung (11H, Wasser)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
■■■ NMR-Tomographen
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Tomographen an der Univ. BremenNMR-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
1H- und X-Kerne
■■■ MRI bei 7T
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen
MRI: Gehirn
Mehrschicht-RARE-Bilder des Rattengehirns:TR=5000 ms, 8 Echos, 16 ms Echoabstand, 125x125x500 m3 Voxel, 10:40 min Messzeit.
MRI an Pflanzen
■■■ MRI bei 7T
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE)Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE)
■■■ MRI bei 7T
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
7-Tesla-NMR-Tomographen an der Univ. Bremen7-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
■■■ MRI bei 7T
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
Messung am schlagenden Rattenherz Messung am schlagenden Rattenherz (10 Phasen, Intragate-Technik)(10 Phasen, Intragate-Technik)
■■■ MRS bei 7T
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
11H-MR-Spektroskopie am Rattengehirn:H-MR-Spektroskopie am Rattengehirn:PRESS (TE=10 ms, ohne Wasserunterdrückung)PRESS (TE=10 ms, ohne Wasserunterdrückung)
■■■ NMR-Tomographen
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Tomographen an der Univ. BremenNMR-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 1H
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
1H- und X-Kerne
■■■ NMR-Tomographen
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
NMR-Tomographen an der Univ. BremenNMR-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)
1H, 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
1H- und X-Kerne
■■■ Zusammenfassung
WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)
ZusammenfassungZusammenfassung
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)