Biologische Psychologie (Fach) / Methoden 2 - Grundlagen der MRT (Lektion)

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  • strukturelle MRT Invasivität Ansatz nicht invasiv kausaler Ansatz: man untersucht Läsionspatienten und sieht sich die Effekte der Läsion auf verschiedenes Verhalten an  (z.B. Patienten mit Schädigung im PFC haben Probleme beim Lernen aus negativem Feedback) 
  • funktionelle MRT Invasivität Ansatz nicht invasiv korrelativ, misst die Hirnaktivität während eines bestimmten Verhaltens  z.B. Schadenfreude korreliert mit Striatum 
  • Fourier-Transformation 1786-1830 Jean-Baptiste Fourier
  • Nikola Tesla Wirkung von Magnetfeldern
  • Wolfgang Pauli Entdeckung des Kernspins
  • Broch und Purcell Beschreibung der Kernspin-Resonanz => Nobelpreis 1952
  • Erste biologische Anwendung des MRT durch Paul Lauterbur 
  • erstes Bild des menschlichen Körpers mit MRT 1977
  • Peter Mansfield Technik zur Beschleunigung der Bildakquisition 
  • Bestandteile des MR-Tomographen 1. ein starkes Hauptmagnetfeld 2. eine Hochfrequenzsender und -empfänger Spule 3. 3 Gradientenspulen in jede Raumrichtung und Verstärker  4. leistungsfähiges Rechensystem 5. Spezialsysteme: Kühlung, Messung von EKG + Atmung 6. in der Forschung: Stimulations- und Reaktionssysteme 
  • Das Magnetfeld ist durch welche 2 Eigenschaften bestimmt? Die Feldstärke angegeben in Tesla (T) und die Homogenität des Magnetfelds 
  • Wie wird das Magnetfeld erzeugt? Das Magnetfeld ist proportional mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule zur Stromstärke 
  • Hans-Christian Orsted Elektromagnetismus Richtung des Magnetfeldes entdeckte 1820, dass in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters eine Kompassnadel ausgelenkt wird  Geburtsstunde des: Elektromagnetismus  - jeder stromdurchflossene Leiter wird von einem magenetischen Wirbelfeld umgeben  Rechte Hand Regel: zeigt der Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung (von + nach -) so gegen Finger die Richtung des Magnetfeldes an 
  • Rechte Hand Regel bei Spule Daumen von + nach -, Daumen zeigt nach Norden, Magnetfeld fließt von Norden nach Süden 
  • Stärke des Magnetfeldes MRT Stärke des Magnetfeldes der Erde zwischen 1,5 bis 3 T und damit sehr hoch manche Geräte haben auch schon 7 bis 9 T  Erde: 30-60 mikro Tesla 
  • Aufgabe des Hochfrequenzsenders- und empfängers - heißen auch das sind ebenfalls Spulen/ coils, sie werden eingesetzt um die Atomkerne im Magnetfeld anzuregen und dann das MR-Signal zu empfanen  - sie sind nur kurz eingeschaltet  - senden Signal und empfangen es dann  - die Resonanzfrequenzen leigen im Radiofrequenzbereich, heißen daher auch Radiofrequenzspulen 
  • Gradientenspulen - dienen - existieren - erzeugen - Stärke dienen der Ortskodierung in alle 3 Raumrichtungen  einen linearen Gradienten, d.h. eine regelmäßige Inhomogenität im Magnetfeld  viel wengier Tesla, einige dutzend MilliTesla 
  • Das H-Atom - Grundlage ist der Kernspin des Wasserstoffatoms (H-Atom) - besteht aus einen Proton und einem Elektron (somit neutral + und - = 0)  - das Proton dreht sich schnell um die eigene Achse wie ein Kreisel/ Spin  => also eine rotierende Masse mit einem Drehimpuls und dem Bestreben die räumliche Lage der Rotationsachse beizubehalten 
  • Was erzeugt eine rotierende elektrische Ladung? ein magnetisches Momentum (z.B. das H-Atom) 
  • Wenn sich das H-Atom dreht erzeugt das eine Spannung in der Empfansspule
  • Spin im Magnetfeld befindet sich ein Proton mit Spin in einem Magnetfeld (B0), so macht die Achse eine kreisförmige Ausgleichsbewegung => eine Präzessionsbewegung
  • Frequenz der Präzessionsbewegung w0 = y0 * B0  w0 = Lamorfrequenz (angegeben in MHz) y0 = gyromagnetisches Verhältnis -> Konstante in MHz/ Tesla  B0 = Magnetfeldstärke in Tesla 
  • Längsmagentisierung - Summe entspricht - wie entsteht es - wann ist sie größer/ stärker die Spins streben einen stabilen Zustand an und richten sich entlang der magnetischen Achse des äußeren Magnetfeldes aus  - die Längsmagnetisieurung entspricht der Summe der einzelnen Spins  - meist in z-Richtung dargestellt  - Längsmagnetisierung ist umso stärker, je stärker das Magnetfeld ist  - es ist aber nur die Differenz zw. parallel und antiparalleln Spins und daher muss das Signal sehr groß sein um messbar zu sein 
  • Anregung des Spinfeldes Voraussetzung - das stabile Spinfeld in Längsmagentisierung wird mit Hilfe eines hochfrequenten elektromagnetischen Impulses des Hochfrequenzsenders angeregt - hierzu wird der Impuls auf das interessierende Gewebe (Gehirn) gerichtet  - Spins klappen aus z-Richtung raus  DER HOCHFREQUENZIMPULS MUSS IN LAMORFREUQENZ SEIN 
  • Wie kann eine Auslenkung der Spins genau in Quer-/Transversalebene geschehen? durch einen 90° Impuls erfolgt eine Auslenkung genau in xy-Richtung
  • Resultat durch Auslenkung in xy-Richtung Quer-/ Transversalmagnetisierung Mxy
  • Was verursacht die Bewegung des Magnetischen Summenvektors von z in xy Ebene? Eine Wechselspannung in der Empfängerspule  => ist Empfängerspule in Lamorfrequenz eingestellt erhält sie nun das MR-Signal 
  • Relaxation die Magnetisierung bleibt nicht in der xy-Ebene sonder kippt langsam zurück in die z-Ebene und das MR-Signal verschwindet 
  • Welche 2 Vorgänge sind verantwortlich für die Relaxation? T1 und T2 Relaxation 
  • T1 Relaxation auch Spin-Gitter-Wechselwirkung - aufgrund des äußeren Magnetfelds kippt die Magnetisierung aus der transversalen in die longitudinale Ebene zurück  => daher auch longitudinale Relaxation  => die vorher eingestrahlte Energei wird an die Umwelt zurückgegeben 
  • longitudinale Zeitkonstante wird T1 Zeit genannt  ist der Zeitpunkt zu dem die Längsmagnetisierung Mz 63% ihres Ausgangswertes erreicht hat 
  • wovon hängt die T1 Zeit ab? von der Magnetfeldstärke und von der Bewegung der Moleküle => diese ist gewebespezifisch (zw. 0,5 bis mehreren Skeunden) 
  • transversale Relaxation - auch - Ursache T2 Relaxation/ Spin-Spin-Wechselwirkung - Dephasierung der Spins, die durch 90° Impuls zunächst in Phasenkohärenz sind  - je kleiner die transversal-Magnetisierung, desto geringer das MR-Signal  - Energie wird unter den Spins ausgetauscht 
  • Phase Magnetvektoren der Spins addieren sich nur wenn diese in Phase sind 
  • Zeitkonstante der Transversalen Relaxation Zeit zu der noch 37% der Transversalmagenetisierung vorhanden ist - meist zwischen 100-300ms und damit kürzer als die T1  - hat 2 Komponenten 
  • 2 Komponenten der T2 Relaxation Ursachen T2-Zeit: Energieaustausch der Spins untereinandre, durch gegenseitiges außer-Phase bringen (beschleunigen und bremsen)  => gewebespezifisch und unabhängig von Magentfeldstärke  T2*-Zeit: zeitlich konstante Inhomogenität des Magnetfelds verursacht durch MR-Tomographen oder durch den Körper führen zu einer zusätzlichen Dephasierung  => Magnetfeldstärke (Inhomogenitäten) und Körper 
  • Bildkontrast man möchte einen hohen Bildkontrast erreichen, da man so gut Gewebe unterscheiden kann und das der Sinn der Bildgebung ist 
  • wovon hängt der Bildkontrast ab? wie kann man die Bilder gewichten? 1) Protonendichte 2) T1 Zeit: wie schnell erholen sich die Spins von der Anregung?  3) T2 Zeit: wei schnell zerfällt das Signal?  a) Proton-density-weighted Bild b) T1 gewichtetes Bild  c) T2 gewichtetes Bild 
  • T1 gewichtetes Bild für eine guten T1 Kontrast - die einzelnen Schichten werden mehrmal angeregt - die Repetition Time (TR) gibt an, wie viel Zeit zwischen 2 Anregungen vergeht  - je kürzer die TR, desto wengier kann sich die longitudinale Magnetisierung erholen und desto schwächer ist das MR Signal - je länger die TR, desto mehr hat sich die longitudinale Magnetisierung erholt und desto stärker ist das nächste MR Signal, aber bei voller Erholung hat man auch keinen Kontrast   guter Konstrast: sollte die TR so gewählt werden, dass die T1-Signalkurven zwischen unterschiedlichen Geweben unterschiedlich sind  das Gewebe mit einer kurzen TR = hell = Starkes Signal das Gewebe mit einer langen TR = dunkel = schwaches Signal 
  • T2-Gewichtung - am besten Echozeit = Zeit nach einer Anregung bis zur Messung des MR-Signals (TE)  - die TE bestimmt den Einfluss von T2 auf den Bildkonstrast. Bei einer kurzen TE sind die Unterschiede klein. Bei einer langen TE sind die Unterschiede groß  - man wählt eine TE die lang genug ist, um zwischen verschiedenen T2-Relaxationszeiten der Gewebearten zu unterscheiden  Gewebe mit langer T2: wenig Dephasierung: starkes Signal = hell  Gewebe mit kurzer T2: viel Dephasierung: schwaches Signal = dunkel 
  • TR und TE bei allen Methoden T1-gewichtet: kurze TR und TE (340ms, 13ms)  T2-gewichtet: lange TR und TE (3500ms, 120ms)  protonen-gewichtet: lange TR und kurze TE 
  • Sättigung - bei einer kurzen TR haben Spins nur wenig Zeit sich zu erholen und es steht für nächste Anregung weniger Signal zur Verfügugn  - mit jeder Anregung reduziert sich das Signal weiter 
  • Lösung Sättigung Flip Angle  - man kippt Spins nur noch mit 30° statt mit 90° => reduzeirt zwar das Signal, aber es bliebt Längsmagnetisierung für die nächste Anregung in z-Richtung vorhanden 
  • Voxel Ein Volumenelement  - ergibt sich aus der Schichtdicke die man in z-Richtung wählt sowie dem Field of view (größe) und der Matrix: wie groß eine betrachtete Einheit ist  => bestimmen die räuml. Auflösung 
  • Ortskodierung in z-Richtung Gradientenspule in z-Richtung wird angemacht, sorgt für Inhomogenität entlang der z-Achse - selektives Anregen einer Schicht durch Hochfrequenzimpuls in Lamorfrequenz der bestimmten Schicht  - Schichtdicke kann durch Stärke des Gradienten beeinflusst werden  - dann kann man Gradientenspule wieder ausmachen 
  • Ortskodierung in y-Richtung Phasenkodierung - Gradientenspule in y-Richtung wird nach z-Spule angeschaltet - bewirkt eine unterschiedliche Lamorfrequenz oben und unten im Tomograph (anterior und posterior im Gehirn)  - Spins laufen oben schneller als unten  - Phasenunterschiede bleiben nach Abschalten der Spule erhalten  - so hat jede Zeile ihre eigne Phase 
  • Ortskodierung in x-Richtung Frequenzkodierung  3. Gradientenspule in X-Richtung wird eingeschaltet.  Magnetfeld wird von rechts nach links stärker  - man erhält durch Gradient ein Frequenzspektrum - jede Spalte kann durch ihre eigene Frequenz identifiziert werden  - je höher die Frequenz, desto weiter links ist das Signal  => Frequenzen können durch Fourier-Analyse dokiert werden 
  • Signal-Rauschen Verhältnis/ Signal to Noise Ration (SRV/SNR) Signalintensität in Region of Interest ____________________________________________ Standardabweichung Signalintensität außerhalb des abzubildenden Körperteils (Bildhintergrund)  = raw SNR (Eigenschaft des MR-Scanners) 
  • Gründe für Artefakte/ Rauschen MR System: Inhomogenitäten im Magnetfeld, thermisches Rauschen in den Spulen, nicht-lineare Signalverstärkung Vorgang der Bildverarbeitung patientenspezifische Faktoren wie Bewegung 
  • Einfluss verschiedener Parameter auf das SRV 1. größere Schichtdicke = besseres SRV 2. größeres Field of view bei gleicher Matrixgröße = besseres SRV 3. größere Matrix bei gleichem Field of View = schlechteres SRV  => je größer die Voxel, desto besser das SRV ABER desto schlechter die räumliche Auflösung 

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