Titel
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen der Magnetresonanz 5
2.1 Kernmagnetisierung 5
2.2 Blochsche Gleichungen 7
2.3 Relaxation 8
2.4 Kernresonanz 10
2.5 Chemische Verschiebung 12
2.6 Ortskodierung 13
2.7 Magnetresonanzspektroskopie 26
2.8 Kontrast 28
2.9 Signal-Rausch-Verhältnis 30
3 Der Hochfeld-3-Tesla-Tomograph 32
3.1 Supraleitender Magnet 32
3.2 Gradientensystem 33
3.3 HF-System 35
3.4 Spulen 37
4 Tagging-Phantomexperimente 47
4.1 Tagging-Präparations-Sequenz 47
4.2 Experimenteller Aufbau 59
4.3 Experimente 63
4.4 Schlußfolgerung 68
5 Bildgebung des menschlichen Herzens bei 3 Tesla 70
5.1 Anatomie und Physiologie des menschlichen Herzens 71
5.2 Segmentierte TurboGRASS-Sequenz 73
5.3 Messung der T2*-Relaxationszeiten im Myokard 91
5.4 Messung der T1-Relaxationszeiten im Myokard und Blut 93
5.5 Messung der B0-Feldverteilung im Herzen 94
5.6 Messung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Myokard 96
5.7 Vergleichsmessung an einem 1,5-Tesla-Tomographen 105
5.8 Messung des Kontrast-Rausch-Verhältnisses zwischen Blut und Myokard 108
5.9 Tagging 108
5.10 Schlußfolgerung 109
6 Grundlagen der MR-Thermometrie 112
6.1 Hyperthermie 112
6.2 Temperaturabhängige Parameter 116
7 Thermosonden-Methode 121
7.1 Pr-MOE-DO3A 124
7.2 Spektroskopische Bildgebung 129
7.3 Schnelle spektroskopische Bildgebung 138
7.4 Schlußfolgerung 145
8 Zusammenfassung 148
A Sequenzen-Programmierung 152
A.1 Puls- und Gradientenprogramm 152
A.2 ACQP und IMND 155
B Messung der k-Raum-Trajektorien 157
C Spektral und räumlich selektiver Anregungspuls 159
D HLSVD 162
Literaturverzeichnis 167
Veröffentlichungen
Danksagung
LebenslaufZiel der Arbeit war es, für ausgewählte medizinische Anwendungen die Eignung
einer NMR-Tomographie bei 3 Tesla und die mit der hohen Feldstärke verbundenen
Vor- und Nachteile zu untersuchen.
Für die Herzbildgebung bei 3 T wurde eine schnelle EKG-getriggerte und
flußkompensierte Gradienten-Echo-Sequenz implementiert und optimiert sowie auf
ihr Artefaktverhalten hin untersucht. Mit dieser Sequenz konnten innerhalb
einer Atemanhalteperiode (17 Herzschläge) artefaktfreie Schnittbilder
beliebiger Orientierung, u.a. auch Kurzachsenschnitte, sowie sogenannte Cine-
Sequenzen, d.h. die Abbildung der Herzbewegung in einer Schicht während des
Herzzyklus, aufgenommen werden. Durch den Einsatz speziell für die
Herzbildgebung entwickelter und gebauter Mehr-Element-Oberflächen-
Empfangsspulen in Kombination mit dem Ganzkörperresonator als Sendespule wurde
im Mittel eine Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/R) etwa um den
Faktor 2 gegenüber Messungen bei 1,5 T erzielt.
Die durch Bereiche unterschiedlicher magnetischer Suszeptibilitäten
verursachte größere B0-Feldinhomogenität (± 1 ppm) und die daraus
resultierenden kürzeren T2*-Relaxationszeiten im linken Ventrikel (< 20 ms)
erschweren die Herzbildgebung bei 3 T im Vergleich zu niedrigeren Feldstärken,
wobei insbesondere die artefaktanfällige Echtzeitbildgebung betroffen sein
sollte. Die durch Suszeptibilitätseffekte bedingte Verkürzung der
T2*-Relaxationszeiten mit steigender Feldstärke läßt hingegen einen höheren
BOLD-(Blood Oxygenation Level Dependent)-Kontrast erwarten, der zur Messung
der Gewebe-Oxygenierung und Perfusion ausgenutzt werden kann.
Bei 3 T erreicht die HF-Wellenlänge im Menschen die Abmessungen im Körper, so
daß dielektrische Resonanzen die elektromagnetische Feldverteilung im Körper
beeinflussen, was zu einer inhomogenen B1-Feldverteilung führen kann. Zusammen
mit der für denselben Drehwinkel der Magnetisierung bei gleicher HF-Pulslänge
benötigten höheren Sendeleistung (Faktor 4 gegenüber 1,5 T) wird somit in
erheblichem Maße der Einsatz von Spin-Echo- sowie verschiedenen
Präparationssequenzen erschwert.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine MR-Thermographiemethode (Thermosonden-
Methode), bei der als Kontrastmittel ein paramagnetischer Praseodym-Chelat
(Pr-MOE-DO3A) eingesetzt wird, in Kombination mit einem schnellen
spektroskopischen Bildgebungsverfahren (Echo Planar Spectroscopic Imaging,
EPSI) hinsichtlich der Eignung für eine Therapiekontrolle während einer
regionalen Hyperthermie-Behandlung untersucht. In einem Phantom wurde mit der
EPSI-Methode die Verteilung der absoluten Temperatur in einem Volumen von 24 ´
24 ´ 24 cm3 (Voxelgröße 1,5 ´ 1,5 ´ 1,5 cm3) innerhalb von 14 s mit einer
Genauigkeit von ± 0,45 °C gemessen.
Diese Arbeit hat gezeigt, daß mit der hohen Feldstärke nicht nur Vorteile,
sondern auch erhebliche Nachteile verbunden sind. Deshalb erscheint der
Einsatz der MR-Bildgebung und -Spektroskopie bei hohen Feldstärken (? 3 T)
zwar in der medizinischen Forschung und für spezielle Anwendungen der
medizinischen Diagnostik und Therapiekontrolle sinnvoll, jedoch ist ein Ersatz
der hochentwickelten MR-Tomographie bei niedrigeren Feldstärken (1,0 1,5 T)
eher unwahrscheinlich.The aim of this work was to demonstrate the feasibility of NMR tomography at 3
Tesla for selected medical applications and to investigate the advantages and
disadvantages of the high field strength.
For cardiac imaging a fast, ECG gated, flow compensated gradient echo sequence
was implemented and optimized. Within a breath-hold period (17 heartbeats)
artifact-free images of slices of any desired orientation, e.g. short axis
slices, and cine-sequences, i.e. the movement of the heart within a slice
during the heart cycle, could be acquired. With the use of specially developed
multi-element surface coils for receiving in combination with the whole body
resonator for transmitting, an increase in signal-to-noise ratio (SNR) by a
factor of 2 was achieved compared to a field strength of 1.5 T.
Regions of different magnetic susceptibility cause larger B0 inhomogeneities
(± 1 ppm), leading to shorter T2* relaxation times within the left ventricle
(< 20 ms). Therefore cardiac imaging, and especially the use of real-time
imaging sequences, which are prone to artifacts, is likely to be ore difficult
at 3 T compared to lower field strength. The decrease of T2* with increasing
magnetic field strength is attributed to susceptibility effects; hence a
higher BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) contrast is expected at 3 T,
which can be exploited for tissue oxygenation and perfusion measurements.
At 3 T the RF-wavelength within the body is comparable to body dimensions,
thus dielectric resonances influence the electromagnetic field distribution.
This may lead to B1 field inhomogeneities. Furthermore, compared to 1.5 T, 4
fold higher RF-power is needed to achieve the same flip angle of the
magnetization at the same pulse length. Therefore the use of spin echo
sequences and various preparation sequences is more difficult at 3 T.
In the second part of the work a MR thermography technique (temperature probe
method), using a paramagnetic Praseodymium complex (Pr-MOE-DO3A) as a contrast
media, was investigated in combination with a fast spectroscopic imaging
technique (Echo Planar Spectroscopic Imaging, EPSI) aiming at therapy control
of regional hyperthermia treatment. Using the EPSI method, in a phantom the
distribution of absolute temperature was measured in a volume of 24 ´ 24 ´ 24
cm3 (voxel size 1.5 ´ 1.5 ´ 1.5 cm3) within 14 s to an accuracy of ± 0,45 °C.
This work demonstrates that the use of higher field strengths is not only
accompanied by advantages but also by substantial disadvantages. Although
having great potential for medical research and special areas of medical
diagnostics and therapy control, MR imaging and spectroscopy at high field
strengths (? 3 T) is unlikely to replace the clinically well-established MR
tomography at lower field strengths (1.0 1.5 T)
