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Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten

Komponenten eines MRT- Systems

Komponenten eines MRT- Systems

• starker Magnet zur Erzeugung des statischen homogenen Magnetfeldes (0,1 - 4,0 Tesla; zum Vergleich: Erdmagnetfeld 30 µT - 60 µT)

• Hochfrequenzanlage und Sendespule zur Erzeugung eines periodischen Magnetfeldes zur Anregung

• Gradientenspulen zur Erzeugung von magnetischen Feldgradienten für die Ortskodierung (~ 40 mT/m)

• Empfangsspulen für die Hochfrequenzsignale

• Rechner zur Steuerung der Anlage

• Bedienungskonsole zur Ein- und Ausgabe von Daten und Funktions-kontrolle



Magnet

Größte und schwerste Teil des Tomographen (typisch: 5 – 10 Tonnen)

Magnetisierung im Körper ~ Feldstärke ⇒ Verbesserung Signal-Rausch-Verhältnis ~ Feldstärke

Aber: mit zunehmender Feldstärke:- Verlängerung der T1-Zeit- Verlängerung der Acquisitionszeit- Erhöhung der chemischen Verschiebung ⇒ mehr Artefakte

chemische Verschiebung:- Verschiebung der Resonanzfrequenz eines Kerns in Abh. von der

chemischen Bindung (z.B. Molekülstruktur)- Abschwächung des angelegten Magnetfeldes durch e- - Hülle

proportional zur Magnetfeldstärke


Magnet

bei ω0>40 MHz: Abschattungen wg. Skin-Effekt !!!(d.h., Schwächung des äußeren Feldes durch vom HF-Wechselfeld induzierte Ströme)


Magnet

0,2 T

1,0 T

1,5 T

gleiche Meßparameter

unterschiedlicherBildeindruckaufgrundfeldabh.Signal-Rauschen-Verhältnis

Meßparameterauf Feldstärkeoptimiert

gleichbleibenderBildeindruck


Magnet - Anforderungen

Forderung Bereich** Problem

Homogenität 1ppm (20 cm Kugel) T2 verkürzt10 ppm (40 cm Kugel) Bildverzeichnungen

Langzeitstabilität 0,1 ppm / h Weglaufen der Larmorfrequenz

Kurzzeitstabilität Weglaufen der Phasenkodierung

Streufeld 0,5 mT-Linie* Funktion anderer Geräte gestörtin Querrichtung bei 3 m (z.B. Herzschrittmacher)in Längsrichtung bei 5 m Gefahr durch Anziehung von Eisen

* 0,5 mT = Herzschrittmachergrenze**angegebene Werte sind Größenordnungen

Magnetresonanztomographie (MRT)


Magnet am besten geeignet: supraleitende Magneten

Typisch: Zylinder-Spulen, Patient im Zentrum

Multi-Filament-Draht: Niob-Titan-Legierung (in Kupfer-Matrix eingebettet)- ein Draht besteht aus ~ 30 Fäden (Durchmesser je 0,1 mm)- Durchmesser der Cu-Matrix: ~ 2mm- für 1T Feldstärke: 10 km Drahtlänge bei mittlerem Radius von 550 mm- verlustfreie Führung von Strömen bis zu 500 A (typisch: 200 A) - gespeicherte magn. Feldenergie ~ 4 MJ (bei 200 A)

Nb-Ti unterhalb Tc ~ 4.2 K (flüssiges Helium) supraleitend:- einmal eingespeister Strom bleibt fast unverändert bestehen

Meißner-Ochsenfeld-Effekt:- sehr gute Abschirmung störender äußerer Magnetfelder


Magnet („Aufladen“)

Wegen U=L.dI/dt kann Magnet in einer Stunde „aufgeladen“ werden:

Beispiel:- verwende Quelle mit 10 V, 200 A, 2000 W- Aufheizen einer Kurzschlussbrücke im Magneten über Tc- wenn Strom von z.B. 200 A erreicht, abschalten der Heizung- Magnetspule wird vollständig supraleitend- Stromquelle kann entfernt werden


Magnet (Shimming)- Magnet hat nach Abkühlen oder Ortswechsel nicht geforderte hohe

Homogenität

- Feldabgleich (Shimming) durch Anbringen von Eisenblechen und/oderKorrektur mit speziellen Shim-Spulen

- Feld im offenen Innenbereich des Magneten muss Laplace-Gleichungerfüllen. Es gilt:

- Allgemein gilt:

- Lösungen für Bz durch Entwicklung in Kugelflächenfunktionen

- durch Messung von Bz auf zentraler Achse und auf Kugel (verschiedeneWinkel θ und ϕ) Bestimmung der ersten Koeffizienten der Reihe

- Kompensation aller Koeffizienten durch Eisenbleche und Shim-Spulen

00 =⋅∇=∇ BBvrrr

undx

0)() =∆⇒∆−⋅∇⋅∇=∇∇ BBBBrrrrrrrr

xx(


Gradientenspulen (I)

schnellePuls-Sequenzen:bis zu 20 mT/m

kleine Induktivität:schnelles Schaltenaber: kleineWindungszahlen!!

schnelles Schalten der Gradientenspulen verursacht laute Klopfgeräusche !!(mechanische Kräfte auf Spulen wie bei Lautsprecher)


Gradientenspulen (II)

am häufigsten verwendete Spulenformen

Gx-Spule um 90° gedreht

Berechnung des Feldes nach Biot-Savart-Gesetz: IdrrI

Bdrrr

×⋅⋅

= 30

4πµ


Gradientenspulen (III)

1984: Jedi-Helmets


Gradientenspulen (IV)

Kompensation von Wirbelstrom-Effekten(viele Bauteile des Magneten aus Aluminium → Wirbelströme !!)


Sende-/Empfangsspulen (I)

Anforderungen:

- Erzeugung und Detektion eines rotierendes B-Feldes quer zur Längsrichtungdes Magneten (z-Achse)

- Frequenz abh. von B0(21,3 MHz bei 0,5 T; 42,6 MHz bei 1 T; 63,9 MHz bei 1,5 T)

- homogene Anregung (gleichmäßige Flipwinkel)

Probleme:- Spulenabmessungen > Wellenlänge- leitende Teile zeigen parasitäre Leitungskapazitäten und Induktivitäten- Impedanzanpassung an Sender/Empfänger


Sende-/Empfangsspulen (II)Sattel-Spule „Birdcage“-Spule

sehr kleine Magnetfeldstärkenbzw.

sehr niedrige Frequenzen

(Prinzip: Helmholtz-Spulenpaar)

hohe Magnetfeldstärkenbzw.

hohe Frequenzen(Prinzip: sinusförmige Stromverteilung

auf Zylindermantel erzeugt homogenes Feld im Innern)

Dimensionierung der Spule so, dass Rauschen möglichst kleinEs gilt: je kleiner der Erfassungsbereich der Spule, desto geringer das Rauschen !!

Sende-/Empfangsspulen (III)


Quelle: Siemens + Philips

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