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Anwendungen der NMR-Spektroskopie

MRT-Grundlagen

In der medizinischen MRT werden die 1H-Kerne zur Bildgebung genutzt.

Der Patient befindet sich in einem MR-Tomographen, ist also direkt einem Magnetfeld B0 (meist 0,5 bis 2 T) ausgesetzt.

Bilderzeugung

Da bei der MRT Schnittbilder erzeugt werden sollen, darf mit einem Impuls nicht der gesamte Körper, sondern selektiv nur eine bestimmte Schicht erfasst werden. Wie wird das nun realisiert?

Bei den meisten MR-Tomographen verläuft das Magnetfeld entlang des Körpers des zu untersuchenden Patienten (z-Richtung). Um selektiv eine Schicht anzuregen, werden Gradientenfelder eingeführt. Gradienten sind zusätzliche Magnetfelder (im mT-Bereich), die mit dem B0-Feld überlagern. Letztendlich ergibt sich eine fließende Änderung des wirkenden Feldes B in z-Richtung: das Magnetfeld ist am Kopfende stärker als am Fußende des Tomographen. Somit wirkt an jeder Stelle des Körpers ein anderes Magnetfeld → nach der Resonanzbedingung der NMR-Spektroskopie ν 0 = γ 2π · B 0 folgt, dass sich bei einem veränderten B0 auch die benötigte Resonanzfrequenz verändert. Jede zu untersuchende Schicht besitzt also ihre spezifische 1H-Anregungsfrequenz, die durch einen selektiv geformten HF-Impuls angeregt wird.

Abb.1

Für eine weitere Aufschlüsselung des MR-Signals wird mittels Gradientenspulen in x- und y-Richtung eine Ortscodierung, bestehend aus Phasen- und Frequenzcodierung, durchgeführt.

Phasencodierung:

Ein Phasengradient in y-Richtung bewirkt, dass oben im Tomographen ein stärkeres Magnetfeld als unten anliegt → ν oben höher als unten). Als Folge dessen kommt es zu einer Phasenverschiebung der Kerne zueinander, da von den bereits in der xy-Ebene präzessierenden Kerne die oberen nun schneller rotieren als die unteren. Nach dem Abschalten des Gradienten bleibt die Phasenverschiebung erhalten. Nun kann jeder horizontale Bereich einer Schicht durch seine Phase erkannt werden.

Abb.2

Frequenzcodierung:

Ein Frequenzgradient in x-Richtung bewirkt, dass das Magnetfeld nun auch in der dritten Richtung verändert wird, es nimmt nun als links nach rechts zu (→ ν rechts höher als links). Somit wird bei der Messung des Resonanzsignals nicht nur eine Frequenz detektiert, sondern ein Frequenzspektrum. Jeder vertikale Bereich der Schicht kann nun durch seine Frequenz identifiziert werden.

Abb.3

→ Jedes Volumenelement ist nun durch Phase und Frequenz eindeutig charakterisiert.

Nach einer zweidimensionalen Fouriertransformation (in x- und y-Richtung) erhält man das gewünschte 2D-Bild.

Soll ein ganzes Volumen auf einmal untersucht werden, muss auch noch in z-Richtung eine Phasencodierung durchgeführt werden. Eine dreidimensionale Fouriertransformation liefert dann ein 3D-Bild. Da diese dreidimensionale Fouriertransformation jedoch sehr zeitaufwendig ist, wird dieses Verfahren in der medizinischen Praxis selten angewendet. Meistens erfolgt die Schichtauswahl durch einen geformten Impuls.

Bildkontraste

Die Relaxationszeiten der Protonen hängen von der molekularen Umgebung des Körperwassers ab, sind also gewebespezifisch. Einen Kontrast zwischen Gewebeteilen sieht man dann, wenn sich darin die Protonendichte oder die Relaxationszeiten unterscheiden. Drei Parameter bestimmen somit den Kontrast eines MRT-Bildes: Protonendichte, T1 (longitudinale Relaxationszeit) und T2 (transversale Relaxationszeit). Anhand dieser drei Parameter können die verschiedenen Gewebe eines Organismus voneinander unterschieden werden, also auch krankes von gesundem. In Abhängigkeit davon, ob die zu erzeugenden Bilder Protonen-, T1 - oder T2 -gewichtet sein sollen, wird das Messprogramm ausgewählt. Am häufigsten werden derzeit T1 - und T2 -gewichtete Bilder erstellt.

T1 kurz → Gewebe erscheint im T1-gewichteten Bild hell T1 lang → Gewebe erscheint im T1-gewichteten Bild dunkel

T2 kurz → Gewebe erscheint im T2-gewichteten Bild dunkell T2 lang → Gewebe erscheint im T2-gewichteten Bild hell

Tab.1
Unterscheidung von Gewebe
Geweberelative ProtonedichteT1 in msT2 in ms
weiße Hirnsubstanz7078090
graue Hirnsubstanz85920100
Meningeom9040080
Metastase85180085

Zur Verstärkung der Kontraste können zusätzlich Kontrastmittel verabreicht werden

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