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Hallo allerseits und willkommen zurück. Ich hoffe, Sie haben sich nicht vom ersten Vortrag, dem Einführungsvortrag, abschrecken lassen. In diesem MRT-Modul haben wir viele wichtige Themen behandelt, aber nur sehr oberflächlich, und wir haben keinem davon wirklich genug Zeit eingeräumt, um die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien zu verstehen, die zur Erzeugung eines MRT-Bildes führen. Jetzt sind wir an der Reihe, einen Schritt zurückzutreten und jedes dieser Themen etwas genauer zu betrachten und dann hoffentlich dieses Wissen zusammenzuführen und letztendlich ein gutes Verständnis der Komponenten der MRT-Physik zu erlangen. Heute möchte ich mich auf das MRT-Gerät selbst konzentrieren, die verschiedenen Magnete, die zur Erzeugung der Magnetfeldstärken beitragen, die letztendlich unser MRT-Signal erzeugen. Sie können sehen, dass das MRT-Gerät aus mehreren verschiedenen Schichten besteht und jede dieser Schichten einen anderen Magneten darstellt. Wir beginnen mit der Hauptschicht, der äußersten Schicht, die als Hauptspule bekannt ist. Wenn Sie sich an die High School erinnern, wissen Sie, dass das Durchleiten eines Stroms durch einen Draht ein Magnetfeld um diesen Draht erzeugt. Das ist Amperesches Gesetz, die Rechte-Hand-Regel. Und wenn wir diese Drähte in einer Spule laufen lassen, überlagern sich die Magnetfelder und erzeugen letztendlich ein großes einzelnes Magnetfeld, das durch die Mitte dieser Spule verläuft. Und genau das passiert in der Hauptspule unseres MRT-Geräts. Wir erzeugen das sogenannte B0 oder das Hauptmagnetfeld, das entlang der Längs- oder Z-Achse im MRT-Gerät verläuft. Die Stärke dieses Hauptmagnetfeldes hängt von zwei Faktoren ab: Sie hängt von der Anzahl der Drahtspulen und der Stromstärke ab, die durch diesen Draht fließt. Wenn wir den Strom immer weiter erhöhen, erhalten wir einen zunehmenden Widerstand in diesem Draht, und wir müssen das verwenden, was als Supraleiter bekannt ist, um einen ausreichenden Strom zu erzeugen, der es uns ermöglicht, eine ausreichend starke Magnetfeldstärke zu haben. Um dies zu erreichen, müssen wir das Prinzip der Supraleitung nutzen. Es gibt bestimmte Materialien, die bei ausreichend niedriger Temperatur als Supraleiter wirken. Ein solches Material sind Niob-Titan-Legierungen, das ist im Allgemeinen das, was in MRT-Geräten verwendet wird. Um die Temperatur niedrig genug zu halten, zirkulieren wir flüssiges Helium um diese Spulen. Das flüssige Helium liegt im Allgemeinen unter 4 Grad Kelvin. Wenn Elektronen durch den Draht fließen, Strom durch einen Draht fließt, interagieren sie mit dem Gitter dieses Drahtes. Je heißer die Temperatur in diesem Draht ist, desto mehr vibriert das Gitter und desto mehr stört es die fließenden Elektronen. Wenn wir diese Temperatur abkühlen, vibriert das Gitter immer weniger und die Elektronen können mit weniger Widerstand passieren. Wenn wir uns einen Nicht-Supraleiter ansehen, gilt: Je niedriger wir die Temperatur machen, desto niedriger ist der Widerstand, aber es wird immer eine Form von Widerstand geben, selbst bei null Grad Kelvin. Bei einem Supraleiter gibt es einen abrupte Abnahme, das ist das, was wir als kritische Temperatur kennen. Die kritische Temperatur liegt im Allgemeinen bei etwa vier Grad Kelvin, und wenn wir die Drahttemperatur unter 4 Grad Kelvin halten, haben wir tatsächlich keinen Widerstand in diesem Draht. Das ermöglicht es uns, einen großen Strom durch diese Drähte zu leiten. Im MRT-Gerät müssen wir dieses flüssige Helium ständig ersetzen, um diese Temperatur unter 4 Grad Kelvin zu halten. Wenn die Temperatur jemals über 4 Grad Kelvin steigt, erhalten wir plötzlich eine große Menge an Widerstand in diesem Draht und wir erzeugen Wärme im Draht. Wenn wir Wärme erzeugen, erhalten wir immer mehr Widerstand, und dieses flüssige Helium wird nun zu einem Gas, und dieses Gas dehnt sich aus. Wir wissen, dass sich Gase ausdehnen, um den gesamten Raum zu füllen, und wir erhalten einen Prozess, der als Quenchen bekannt ist, bei dem dieses flüssige Helium dann als gasförmiges Helium in den Raum abgegeben wird. Und das ist ein Sicherheitsmerkmal in einem MRT-Gerät. Wir müssen dieses Helium ablassen können, wenn wir keine Supraleitung mehr in diesen Drähten haben. Dieser Prozess ist als Quenchen bekannt. Die Funktion der Hauptmagnetspule besteht darin, dieses B0-Magnetfeld entlang der Längsachse unseres Patienten anzulegen. Und wir haben gesehen, dass, wenn wir ein großes Magnetfeld entlang der Z-Achse unseres Patienten anlegen, dies Wasserstoffatome, freie Wasserstoffatome in diesem Patienten dazu bringt, sich an diesem Magnetfeld auszurichten, und jedes dieser Wasserstoffprotonen präzediert mit einer bestimmten Frequenz. Die Präzessionsfrequenz wird durch das Atom selbst bestimmt. Wasserstoff hat ein bestimmtes Verhältnis, das als gyromagnetisches Verhältnis bekannt ist, das wir uns in unserem nächsten Vortrag ansehen werden, wenn wir uns die Kernspinresonanz ansehen. Und sie wird durch die Stärke des Magnetfeldes bestimmt. Je stärker das Magnetfeld ist, desto schneller präzedieren die Wasserstoffe um ihre Achse in paralleler Richtung zu diesem Hauptmagnetfeld. Wir können also sehen, dass die Manipulation des Stroms in der Hauptmagnetspule die Magnetfeldstärke manipuliert und diese Änderung der Magnetfeldstärke die Präzessionsfrequenz der Wasserstoffprotonen im Patienten ändert. Wenn wir uns das Diagramm der Magnetspule ansehen, haben Sie vielleicht diese beiden Strukturen bemerkt, die sich innerhalb dieser Hauptspule befinden. Das sind sogenannte Shim-Spulen. Was genau ist eine Shim-Spule? Nun, eine Shim-Spule ist im Holzhandwerk ein dreieckiges Stück Holz, das Sie zwischen zwei Objekte keilen können, um diese Objekte stabiler zu machen. Wenn Sie an einem wackeligen Tisch stehen, legen Sie eine Shim-Spule unter das kürzeste Bein, um dieses Wackeln des Tisches zu verhindern. Shim-Spulen in der MRT-Bildgebung tun dasselbe. Sie manipulieren dieses Hauptmagnetfeld. Im Idealfall wünschen wir uns ein perfekt homogenes Magnetfeld entlang der Längsachse des Patienten, aber aufgrund der verschiedenen Komponenten des MRT-Geräts selbst und der Art und Weise, wie Magnetfelder erzeugt werden, erhalten wir entlang der Z-Achse kein perfekt homogenes Magnetfeld. Die Shim-Spulen verändern dieses Magnetfeld, um zu versuchen, das Hauptmagnetfeld so homogen wie möglich zu machen. Wie Sie sehen können, gibt es zwei verschiedene Arten von Shim-Spulen. Die erste Art von Shim-Spule ist das, was als passive Shim-Spule bekannt ist. Das ist eine magnetische Platte oder ein ferromagnetisches Metall, das in die Bohrung des MRT-Geräts eingebracht wird und das Magnetfeld passiv manipuliert. Wir wissen, dass ferromagnetische Substanzen Magnetfelder manipulieren, die an ihnen vorbeilaufen. Die zweite Art von Shim-Spule ist die aktive Shim-Spule. Aktive Shim-Spulen haben ihre eigene Stromversorgung, ihren eigenen Strom, der durch die Spulen innerhalb dieser Shim-Spulen fließt, und wir können diesen Strom ändern, um das Hauptmagnetfeld zu manipulieren. Wiederum versuchen Shim-Spulen, dieses Magnetfeld so homogen wie möglich zu machen. Je homogener dieses Hauptmagnetfeld ist, desto genauer können wir die in der MRT-Bildgebung erzeugten Signale lokalisieren. Aktive Shim-Spulen können entweder supraleitend sein und sich in unserem Helium befinden, oder sie können resistive Shim-Spulen sein, die sich in der Bohrung des Magneten selbst befinden. Sie haben ihre eigene Stromversorgung und wir können die Stärke ihrer Beeinflussung des Hauptmagnetfeldes manipulieren. Bewegen wir uns nun zur nächsten Schicht des MRT-Geräts, dieser violetten Schicht hier, und das sind die Gradientenspulen. Die Gradientenspulen tun genau das, sie legen einen Gradienten entlang des Magnetfeldes an. Wie Sie hier sehen, liegen die Gradientenspulen senkrecht zueinander, hier sowohl in der Y-Ebene als auch in der X-Ebene. Sie liegen auch entlang der Z-Ebene. Das wird sehr wichtig, wenn wir zur räumlichen Lokalisierung von Signalen in der MRT kommen. Wenn wir die beiden Zentren der Gradientenspulen wegnehmen und uns die flankierenden Gradientenspulen entlang der Z-Achse hier übrig bleiben, wissen wir, dass wir ein B0 oder ein Hauptmagnetfeld entlang der Z-Achse anlegen. Wir wissen, dass diese Wasserstoffatome mit einer Frequenz präzedieren werden, die durch das B0-Magnetfeld bestimmt wird, und im Allgemeinen sprechen wir in der klinischen Bildgebung von einer Magnetfeldstärke zwischen 1 und 3 Tesla. Die Gradientenspulen können ihr eigenes Magnetfeld erzeugen. Wir können diese Gradientenspule hier nehmen und Strom durch diese Spule leiten. Wenn wir Strom wie hier durch die Spule leiten, werden wir ein Magnetfeld in Richtung von links nach rechts erzeugen, ein Magnetfeld, das sich in die gleiche Richtung unseres B0-Magnetfeldes überlagert. Wir können das Gegenteil in dieser Gradientenspule tun und einen Strom in die entgegengesetzte Richtung leiten. Wir werden dann ein Magnetfeld erzeugen, das in die entgegengesetzte Richtung zum Haupt-B0-Magnetfeld verläuft. Wir haben also zwei separate Magnetfelder von diesen Gradientenspulen erzeugt, die letztendlich das Hauptmagnetfeld beeinflussen werden, das hier entlang der Z-Achse verläuft. Wenn das von dieser Gradientenspule erzeugte Magnetfeld über das Hauptmagnetfeld überlagert wird, erhalten wir eine Reduzierung des Magnetfeldes an diesem Ende des MRT-Scanners. Wenn wir diese Gradientenspule über das Hauptmagnetfeld überlagern, erhöhen wir die Magnetfeldstärke an diesem Ende des MRT-Scanners, und Sie können sehen, wie die Überlagerung dieser Gradientenspulen-Magnetfelder unser B0-Magnetfeld manipuliert, und wir erhalten eine Manipulation dieses Hauptmagnetfeldes, das entlang der Z-Achse konstant war, zu einem Gradienten zwischen diesen beiden Gradientenspulen. Wir legen nun eine differentielle Magnetfeldstärke auf diese verschiedenen Protonen im Feld an. Wir können sehen, dass die Feldstärke an diesem Ende der Z-Achse geringer sein wird als die Feldstärke an diesem Ende. Wichtig ist, dass dies kein Vektor ist. Wir ändern nicht die Richtung dieses Hauptmagnetfeldes. Wir ändern die Stärke des Magnetfeldes, wenn wir uns entlang der Z-Achse bewegen. Was wir jetzt geschaffen haben, ist ein Gradient, bei dem die Magnetfeldstärke an der Z-Achse hier stärker ist als hier an der Z-Achse. Da sich die Magnetfeldstärken entlang der Z-Achse unterscheiden, werden sich auch die Präzessionsfrequenzen dieser Wasserstoffprotonen unterscheiden. Je stärker der Gradient oder je stärker die Magnetfeldstärke ist, desto schneller wird die Präzessionsfrequenz. Das ist die Hauptfunktion der Gradientenspulen: Sie ändern oder manipulieren die Magnetfeldstärke entlang der separaten Achsen in der kartesischen Ebene. Nicht nur die Präzessionsfrequenz entlang der Z-Achse können wir ändern, sondern dasselbe können wir auch entlang der X-Achse und der Y-Achse tun, und das ist die Grundlage für die räumliche Kodierung des Signals, das wir in der MRT-Bildgebung erzeugen. Der Teil des Magnetfeldes, der unverändert bleibt, ist das, was als Isozentrum bekannt ist. Das ist der Teil des Magnetfeldes, der die gleiche Magnetfeldstärke hat wie das Hintergrund-B0-Magnetfeld, das wir erzeugt haben. Wenn wir uns die Gradientenspule selbst ansehen, können wir sehen, dass sie senkrecht zueinander liegen und wir diese Spulen hier verwenden können, um Gradienten sowohl entlang der X-Achse als auch der Y-Achse zu erzeugen. Bewegen wir uns nun zum letzten Magneten im MRT-Gerät, der Hochfrequenzspule. Die Hochfrequenzspule erzeugt ein Magnetfeld, das senkrecht zum Hauptmagnetfeld steht. Wir haben gesehen, dass Wasserstoffprotonen mit einer bestimmten Frequenz präzedieren, die von der Stärke des angelegten externen Magnetfeldes abhängt, und wir haben gesehen, wie wir einen Gradienten entlang einer Achse im Patienten anlegen können. Dieser Gradient bewirkt, dass diese Wasserstoffprotonen mit unterschiedlichen Frequenzen präzedieren. Die Hochfrequenzspule erzeugt ein wechselndes Magnetfeld in der senkrechten oder transversalen Achse hier, der XY-Ebene. Wenn Sie sich jedes dieser Wasserstoffprotonen oder Nettomagnetisierungsvektoren als Kinder vorstellen, die auf einer Schaukel mit einer bestimmten Frequenz schwingen, schwingen sie alle mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Hochfrequenzspule erzeugt Magnetpulse in der transversalen Ebene hier, sie sind wie die Väter an der Schaukel, die ihre Kinder anschieben. Die Väter schließen die Augen und schieben mit einer bestimmten Frequenz, das ist der Hochfrequenzpuls. Nur die Kinder, die mit der Frequenz schwingen, mit der die Väter schieben, erhalten mehr und mehr Energie und schwingen weiter und weiter hinaus. Die Kinder, die von Natur aus mit einer anderen Frequenz schwingen als die, mit der der Vater schiebt, werden sich nicht mit dem Vater synchronisieren und keine Energie vom schiebenden Vater erhalten. Dasselbe passiert mit dem Hochfrequenzpuls. Nur die Wasserstoffatome, die mit der exakt gleichen Frequenz wie der Hochfrequenzpuls präzedieren, gewinnen mehr und mehr Energie. Wir haben gesehen, dass Wasserstoffatome mit einer bestimmten Frequenz präzedieren, und wenn der Hochfrequenzpuls derselbe ist wie diese Präzessionsfrequenz, passieren zwei Dinge. Erstens beginnen die Protonen, sich immer weiter aufzufächern, und zweitens werden diese Protonen nun in Phase zueinander gebracht. Anfangs waren sie außer Phase. Der Hochfrequenzpuls bewirkt, dass sie in Phase kommen. Sie kommen in Phase und fächern sich immer weiter auf, in einem immer größeren Winkel, der als Flip-Winkel bekannt ist. Je länger wir diesen Hochfrequenzpuls erzeugen, desto größer wird dieser Flip-Winkel, und diese Bewegung aus der Längsebene in die Transversalebene ermöglicht es uns, dieses Signal zu messen. Das ist die Hauptfunktion des Hochfrequenzpulses: Er ermöglicht es uns, unseren Nettomagnetisierungsvektor von der Längsebene in die Transversalebene zu ändern. In diesem Beispiel, wenn wir unseren Hochfrequenzpuls mit der zentralen Frequenz hier abgleichen, werden wir sehen, dass sich nur dieser Nettomagnetisierungsvektor um 90 Grad dreht. In diesem Fall ist es der Hochfrequenzpuls, der es uns ermöglicht, spezifische Wasserstoffatome im Patienten zu isolieren, und das ist das, was als Schichtselektion bekannt ist, die wir später bei der Signallokalisierung betrachten werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir uns die Hauptspule angesehen haben, die das Hauptmagnetfeld entlang der Längsachse unseres Patienten erzeugt, und wir können sowohl aktive als auch passive Shim-Spulen verwenden, um dieses Magnetfeld zu manipulieren und es so homogen wie möglich zu machen. Wir können dann eine Gradientenfeldstärke entlang dieses Magnetfeldes anlegen und die Stärke des Magnetfeldes entweder in der Z-, X- oder Y-Achse ändern, und das ist die Aufgabe der Gradientenspulen. Dann haben wir uns die Hochfrequenzspulen angesehen, die spezifische Wasserstoffprotonen auswählen, die mit einer bestimmten Frequenz präzedieren, und dann diese Wasserstoffprotonen in die Transversalebene kippen, was uns ermöglicht, Signal in der Transversalebene zu messen und letztendlich unser MRT-Bild zu erzeugen. Nun werden wir unsere Aufmerksamkeit auf die Wasserstoffatome selbst richten und die Kernspinresonanz betrachten, warum Kernspinresonanz auftritt und wie wir Kernspinresonanz nutzen können, um Signal im Bild zu erzeugen. Wenn Sie sich auf eine Prüfung in radiologischer Physik vorbereiten, schauen Sie sich die kuratierten Fragenbanken an, die ich in der obersten Zeile in der Beschreibung unten verlinkt habe. Ansonsten sehe ich Sie alle im nächsten Vortrag. Auf Wiedersehen allerseits.