Wie funktioniert Kernspintomographie? - TU Dresden · Magnetic Resonance Imaging (MRI) Paul...

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Wie funktioniert Kernspintomographie? Vom Radfahren zum Gedankenlesen Hans-Henning Klauss Til Dellmann, Walter Keller, Hannes Kühne, Hemke Maeter, Frank Radtke, Denise Reichel, Göran Tronicke,… Institut für Festkörperphysik TU Dresden

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Wie funktioniert Kernspintomographie?

Vom Radfahren zum Gedankenlesen

Hans-Henning Klauss

Til Dellmann, Walter Keller, Hannes Kühne, Hemke Maeter, Frank Radtke, Denise Reichel,

Göran Tronicke,…

Institut für Festkörperphysik TU Dresden

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Übersicht

• Der mechanische Kreisel

• Rad- und Motorradfahren

• Der magnetische Kreisel im Magnetfeld

• Atomkerne als magnetische Kreisel

• Kernspinresonanz

• Kernspintomographie

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Das Pendel

•Auf die Masse wirkt die Erdanziehungskraft F

• An der Drehachse wirkt ein Drehmoment

M = r x F

Das Pendel bewegt sich in Richtung der Kraft F

r

M

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Der mechanische Kreisel•ein Pendel, das eine schnelle Eigendrehung vollführt

•Besonderheit:

ohne Drehmoment bleibt die Richtung der Drehachse (der Drehimpuls L) zeitlich konstant !

L

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1 Tag

Die Erde - ein großer mechanischer Kreisel

1 Jahr

23,50

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Der mechanische Kreisel

•ein Pendel, das eineschnelle Eigendrehungvollführt

•Besonderheit unter Krafteinwirkung :Bewegung nicht in Richtung der Kraft, sondern senkrecht dazu (Präzession)

•Je größer das Drehmoment, desto höher die Präzessionsfrequenz

L

= MdLdt

M

Newtonsches Axiom:

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Rad- und Motorradfahren

• Geradeausfahren: die Kreiseldrehung der Räder stabilisiert die Fahrtrichtung

Gewichtskraft

m

Gesamtkraft

L

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Rad- und Motorradfahren

Gewichtskraft

Zentrifugalkraft

m

• Kurvenfahrt: Schräglage zur Kompensation der Zentrifugalkraft notwendig

Gesamtkraft

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Rad- und Motorradfahren

• Kurvenfahrt:

Kraft am Lenker nach links

Kreiselverhalten:

Schräglage nach rechts

Kurvenfahrt nach rechts

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Der magnetische Kreisel

• Die Drehachse des mechanischen Kreisels wird mit einemStabmagneten(magnetischer Dipol ) verbunden

•Dieser besitzt Nord- und Südpol

μ

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Der magnetische Kreisel im äußeren Magnetfeld

• Ein Magnetfeld wirkt auf den magnetischen Dipol des Kreisels

•Dieses „magnetische Drehmoment“ erzeugt ebenfalls eine Präzessionsbewegung

•Deren Frequenz ω (Dreh-geschwindigkeit) ist proportional zur Größe des Magnetfelds B:

statB⋅= γω

ω

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Atomkerne sind magnetische Kreisel

•Atomkerne sind winzig klein und leicht

•Die Präzession liegt bei hohen Frequenzen:

ω ca. 100 MHz

„UKW-Radio“

• Wie können wir diese Präzessionsfrequenz messen ?

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• Resonanz: Umklappen

der Nord- Süd- Richtung

• Bedingung:

• Auswahl der Kreisel (Atomkerne) mit einem bestimmten γ

Frequenz des Magnetfeldes

Präzessionsfrequenz des magnetischen Kreisels=

Energiezufuhr durch zeitlich veränderliches Magnetfeld

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Bo

S

B1

Detektor

Frequenz-generator

Computer

Magnet

Kernspinresonanz-Apparatur

.... Ein teures UKW-Radio

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Zeitlicher Ablauf eines Kernspinresonanz-Experimentes

1. Zufuhr von Energie durch einen kurzen Hochfrequenz-Strompuls in die Spule

Stabmagnete der Atomkerne werden gekippt

2. Die Kernmagnete präzedieren im statischen Feld

Induktionsspannung in der Spule Abtransport von Energie

Richtungen der Stabmagnete wieder durcheinander (Ausgangszustand)

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3 Phasen eines Kernspinresonanz-Experimentes

1. Zufuhr von Energie durch einen kurzen HF-Strompuls

Stabmagnete der Atomkerne werden gekippt

2. Die Kernmagnete präzedieren im statischen Feld ohne Messung der Induktion

3. Die Kernmagnete präzedieren im statischen Feld mit Messung der Induktion

r.f.time

g

signal

Δ

δ

τ τ

90 x 180 y

λ

ZeitHF-Puls

Signal

Phase 1: HF-Puls

Phase 2: Warten

Phase 3: Messen

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Zeitlicher Ablauf eines Spinecho - Kernspinresonanz-Experimentes

1. Erster HF-Strompuls kippt alle Kernspins

um 90 Grad aus der z- in die y-Richtung

2. Die Kernspins präzedieren im statischen Feld

HF-Induktionssignal in der Spule,

wird jedoch schnell kleiner aufgrund leicht

unterschiedlicher Präzessionsfrequenzen

3. Zweiter HF-Strompuls kippt alle Kernspins um 180 Grad

4. Wenig später sind die Kernmagnete kurz wieder parallel

Induktionsspannung in der Spule

ZeitHF-Puls 1 SignalHF-Puls ´2

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Ein Kernspinresonanz-Experiment

Frequenz des HF-Magnetfeldes

Präzessionsfrequenz der Atomkerne =

Resonanzbedingung:

Experimentelle Überprüfung:

• Feste Präzessionsfrequenz (Eisen-Kerne ): 45.50 MHz

• Veränderliche Frequenz des HF-Feldes

• Was passiert mit der Signalstärke?

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Magnetic ResonanceImaging (MRI)Paul Lauterbur

Peter Mansfield

The Nobel Prize in Physiology and Medicine 2003"for their contributions to magnetic resonance imaging"

Kernspintomographie

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Kernspintomographie•Idee: Auswahl der Atomkerne einer Schicht durch räumlich anwachsendes Magnetfeld („Gradient“)

•Anmerkung:Energieübertrag um

ein Vielfaches geringer als beim Röntgen

0BMess ⋅= γω

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Kernspintomographie

Intensität als Maß der Anzahl der Wasserstoffkerne im Gewebe

„Schichtauswahl“

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Ortsauflösung in allen drei Raumrichtungen

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Feldgradient senkrecht

„Linienauswahl“

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Ortsauflösung in allen drei Raumrichtungen

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Feldgradient quer

„Punktauswahl“

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Tumor

http://www.med.harvard.edu/AANLIB/cases/case26/mr1/016.html

Anwendungen:Hirntumor-Diagnose

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Darstellung von Blutgefäßen (Angiographie)

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http://www.gg.caltech.edu/~zhukov/research

Blutströmungen im Herzmuskelrekonstruiert aus molekularer Diffusion

Basser et alBiophysical J (1994)

Herzmuskel Flüssigkeitsströme im Gehirn

Nachweis von Flüssigkeitsströmungen

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MRI untersucht AnatomieFunktionelle MRI (fMRI) untersuchtGehirnfunktionen

Kann man Gedanken lesen?

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Funktionelle Kernspintomographie (fMRI)

↑ neurale Aktivität ↑ Blutsauerstoffgehalt ↑ fMRI-Signal

MRI fMRI

one image

Viele Bilder(alle 2 Sekunden,5 Minuten lang)

Hohe Ortsauflösung(1 mm)

Niedrige Ortsauflösung(~3 mm)

fMRIBlood Oxygenation Level Dependent (BOLD) signal

indirekte Messung der neuralen Aktivität

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Zeitabhängigkeit der lokalen Signalstärke

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Versuchsaufbau

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Aktivierung des Sehzentrums

Zeit

GehirnAktivität

Kwong et al., 1992

Flickering CheckerboardOFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s)

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Kernmagnetische Resonanz (NMR)

•Festes Magnetfeld

•Auswahl der Resonanz bestimmter Kernsorten

•Untersucht werdenFlüssigkeiten und Festkörper

•Atomkerne als „Spione“zur Beobachtung der mikroskopischen Materialeigenschaften (chemische Bindung, Magnetismus)

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Grundlagenforschung

Magnetismus Supraleitung

Ebene Struktur Kettenstruktur

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Vielen Dank für Ihr Interesse!!!

• Der mechanische Kreisel

• Rad- und Motorradfahren

•Atomkerne als magnetische Kreisel

• Kernspinresonanz

• Kernspintomographie

Zusammenfassung