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Dr. Wolf, Beckelmann und Partner
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Die physikalischen Grundlagen

Kernspin
Für die MRT werden hauptsächlich die in großer Menge im Körper vorhandenen Wasserstoffkerne (Protonen) betrachtet. Man nutzt die Eigenschaft dieses einfach positiv geladenen Kerns (1 Proton, 0 Neutronen), sich um die eigene Achse zu drehen (Spin) (Abb. 32). Durch diese Bewegung des elektrisch geladenen Protons entsteht ein magnetisches Moment. → MaxwellMaxwell
James Clerk Maxwell, britischer Wissenschaftler (geb. 13.6.1831 in Edinburgh; gest. 5.11.1879 in Cambridge). Maxwell entdeckte bahnbrechende Gesetze der Elektro-Dynamik (Maxwell’sche Gleichungen) sowie den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer Kraft.
entdeckte, dass bewegte (spinning) elektrisch geladene Partikel ein elektromagnetisches Feld erzeugen.
Kernspin
Abb. 32: Kernspin
Atomkerne mit einer ungeraden (unpaaren) → NukleonenzahlNukleon
Oberbegriff für Bausteine eines Atomkerns (Proton, Neutron)
zeigen einen Drehimpuls. Kerne mit einem solchen Kernspin verhalten sich wie kleine Stabmagnete und erzeugen ihr eigenes Magnetfeld (Abb. 33).
Stabmagnet
Abb. 33: Kerne verhalten sich wie kleine Stabmagnete
Anregung  Diese Kernmagnetfelder sind normalerweise in alle Raumebenen ausgerichtet. Bringt man diese Kerne in ein extern angelegtes, starkes (0,25 - 3 Tesla), homogenes Magnetfeld, lassen sich zwei Vorgänge beschreiben:
 
Zum einen richten sich die magnetischen Wasserstoffatome zunächst parallel und antiparallel zu diesem äußeren Magnetfeld aus. Diese magnetischen Momente heben sich gegenseitig auf. Ein leichter Überhang an paralleler Ausrichtung führt dazu, dass die überzähligen Wasserstoffatome mit paralleler Ausrichtung einen magnetischen Vektor erzeugen, der ebenfalls parallel zum äußeren Magnetfeld ausgerichtet ist. Man spricht von der Längsmagnetisierung Mz (Abb. 34).
Längsmagnetisierung
Abb. 34: Längsmagnetisierung
Zum anderen beginnen die Protonen, um die Feldlinien des äußeren Magnetfeldes mit einer bestimmten, von der Stärke des erzeugten Magnetfeldes abhängigen Frequenz (Lamorfrequenz) zu rotieren (präzedieren), wie in Abb. 35 verdeutlicht.
Präzession
Abb. 32: Präzession
Strahlt man nun eine Radiowelle mit dieser Lamorfrequenz (Resonanzfrequenz) ein, kommt es zur magnetischen Kernresonanz:
Die Wasserstoffkerne absorbieren die eingestrahlte Wellenenergie und kehren ihre bisherige Längsorientierung in eine um 90° versetzte Querorientierung (in x,y-Richtung) im Magnetfeld um. Diesen Vorgang bezeichnet man als Anregung, den Impuls als 90° Anregungsimpuls oder Hochfrequenz-Impuls (HF-Impuls) und spricht von der Quer- oder Transversalmagnetisierung Mxy.
 
Gleichzeitig wurde durch das Einstrahlen des 90° Impulses auch die Präzession der Protonen synchronisiert, d. h. in Phase gebracht (Abb. 36).
Protonen
Abb. 36: Nach dem Einstrahlen des Hochfrequenzimpulses präzedieren die Protonen
in Phase und die Magnetisierung Mz wird um 90° in die Transversalebene gekippt.
Relaxation
Nach dem Abschalten des Impulses kehren die Kerne allmählich in ihre Ausgangsposition zurück, sie relaxieren und geben dabei die absorbierte Energie in Form von Radiowellen wieder an ihre Umgebung ab. Die Menge der beteiligten Wasserstoffkerne und die Zeit, die sie zur Reorientierung benötigen, sind charakteristisch für die verschiedenen Gewebe des menschlichen Körpers. Man unterscheidet zwei Relaxationsvorgänge, die zeitlich parallel stattfinden, die Longitudinal- und die Transversalrelaxation.
 
Longitudinalrelaxation – T1-Konstante
Die Protonen geben ihre aufgenommene Energie an ihre Umgebung, das Gitter, ab und kehren in ihre Ausgangsposition zurück. Dabei nimmt die Längsmagnetisierung zu. Man nennt diesen Vorgang Longitudinal bzw. Spin-Gitter-Relaxation (Abb. 37). Er wird durch die T1-Konstante charakterisiert.
Protonen
Abb. 37: Nach dem Abschalten des Impulses kehren die Protonen in ihre Ausgangsposition,
ausgerichtet entlang B0, zurück und geben die aufgenommene Energie an ihre Umgebung ab.
Die Größe der Gewebemoleküle und die Art ihrer Umgebung bestimmen, wie schnell dieser Vorgang ablaufen kann. Einem kleinen beweglichen Wassermolekül im lockeren Atomverband (Flüssigkeiten) bieten sich pro Zeiteinheit nur wenig Möglichkeiten, durch Wechselwirkung mit der Umgebung Energie abzugeben. Flüssigkeiten haben daher eine lange T1-Zeit (2 - 4 s). Bei einem gering beweglichen Fettmolekül im dichten Atomgitter eines Festkörpers wird dagegen der Energieaustausch viel schneller ablaufen. Fettgewebe besitzt eine kurze → RelaxationszeitRelaxationszeit
Zeit, die ein System oder Teilchen braucht, um von einem angeregten Zustand in den Grundzustand zurück zu kehren
(200 - 300 ms).
 
Transversalrelaxation – T2-Konstante
Gleichzeitig mit der Rückorientierung der Protonen in die longitudinale Ausrichtung wird die synchrone Präzession der Protonen um die Feldlinien des äußeren Magnetfeldes gestört. Dies geschieht einerseits durch die interne Interaktion mit anderen Kernen, deren kleine Magnetfelder sich gegenseitig stören. Andererseits wird das Magnetfeld durch Inhomogenitäten von externen Störfaktoren (sogenannte T2*-Effekte) (T2 Stern), beeinflusst wie sie z.B. von metallhaltigen Gegenständen, Zahnprothesen etc. hervorgerufen werden. Die Folge ist, dass die Protonen wieder aus der Phase geraten, sie dephasieren. Dabei nimmt die neu erzeugte Quermagnetisierung wieder ab. Dieser Vorgang wird mit der T2- bzw. T2*-Konstante beschrieben. Man spricht von der Transversalrelaxation bzw. Spin-Spin-Relaxation (Abb. 38).
Protonen
Abb. 38: Durch T2*-Effekte und die Interaktion mit anderen Kernen dephasieren
die Protonen und die Transversalmagnetisierung nimmt wieder ab.
Auch hier ist die zeitliche Auflösung gewebespezifisch und hängt von Molekülgröße und Umgebung ab.
 
Flüssigkeiten haben folglich eine verlängerte T2-Relaxationszeit, während Festkörper den örtlich schwankenden Magnetfeldern mehr ausgesetzt sind und deshalb äußerst kurze T2-Zeiten aufweisen.
 
Die Relaxationszeiten spielen in der MR-Bildgebung als Kontrastparameter eine wichtige Rolle. Ihr Einfluss auf das MR-Bild hängt von der Wahl der Messparameter ab.
 
Ortsinformation
Die vom Gewebe abgestrahlte Energie wird von Spulen (Antennen) empfangen. Dieser Impuls beinhaltet noch keine Information, die eine Ortsbestimmung ermöglicht.
 
Lauterbur fand die Lösung dieses Problems. Er bediente sich dabei eines bekannten physikalischen Gesetzes. Die Frequenz der vom Wasserstoffkern abgestrahlten Welle ist direkt proportional zur Stärke des äußeren Magnetfeldes, das ihn umgibt. Sie kann mit der Lamorformel berechnet werden. Ist das Magnetfeld nicht überall gleich stark, ändert sich proportional zu den unterschiedlichen örtlichen Magnetfeldstärken auch die Präzessionsfrequenz der Protonen. Anhand dieser spezifischen Frequenz lässt sich die genaue Position des Protons ermitteln.
Die Lamorformel
Gradienten
Die Stärke des örtlichen Magnetfeldes wird durch Gradientenspulen verändert. Drei Paare solcher Spulen sind auf die drei Raumrichtungen verteilt (Abb. 39). Sie werden mit der gleichen Stromstärke, aber mit gegensinniger Polung betrieben. Sie erzeugen bei Stromzufuhr einen magnetischen Feldgradienten, der das äußere Magnetfeld überlagert. Durch diese Überlagerung verändert sich die ursprüngliche Magnetfeldstärke an jeder Stelle des Magnetfeldes in Gradientenrichtung. Die gegensinnige Polung bewirkt auf der einen Seite des überlagerten Magnetfeldes eine Zunahme, auf der gegenüber liegenden Seite eine Abnahme der Magnetfeldstärke. In einem durch Gradienten erzeugten inhomogenen Magnetfeld "spüren" die Kerne (Protonen) an unterschiedlichen Orten unterschiedliche Feldstärken (Abb. 40). Sie zeigen daher bei verschiedenen Frequenzen Resonanz (siehe Lamorformel).
Die Gradientenspulenpaare
Abb. 39: Die Verteilung der drei Gradientenspulenpaare in den Raumrichtungen X,Y und Z
Die Gradientenspulen
Abb. 40: Die Gradientenspulen erzeugen ein ansteigendes Magnetfeld, das dem äußeren Magnetfeld überlagert wird.
Um eine bestimmte Schicht anzuregen, muss der Impuls genau der Frequenz der anzuregenden Schicht bei angelegtem Gradienten entsprechen.
 
Der Gradient, der dem Magnetfeld während der Schichtauswahl überlagert wird, wird Schichtselektionsgradient genannt. Die Schichtdicke kann dabei entweder durch die Bandbreite an Frequenzen (Anzahl an Frequenzen) des eingestrahlten Impulses bei gegebener Gradientenstärke bestimmt werden oder durch die Stärke (Steilheit) des Gradienten bei fester Frequenzbandbreite.
 
Die Orientierung der Schicht wird durch die geeignete Wahl der Gradientenspulen bestimmt. Sind transversale Schichten gewünscht, erzeugt das Gradientenspulenpaar in Z-Richtung ein Magnetfeld, das dem Hauptmagnetfeld überlagert wird. Bei koronaren Schichten dient das in Y-Richtung erzeugte überlagerte Magnetfeld als Schichtselektionsgradient. Bei sagittaler Schichtführung muss das durch die Gradientenspulen in X-Richtung erzeugte Magnetfeld das Hauptmagnetfeld überlagern.
 
Es sind noch weitere Schritte der Ortskodierung notwendig um ein fertiges Bild zu erhalten. Diese Schritte (umfangsbedingt hier nicht weiter erläutert) beruhen auf dem dargestellten Prinzip der Frequenzund Phasenveränderung der Protonen durch die Veränderung des Magnetfeldes mit Gradienten.
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