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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
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Magnet
bei ω0>40 MHz: Abschattungen wg. Skin-Effekt !!!(d.h., Schwächung des äußeren Feldes durch vom HF-Wechselfeld induzierte Ströme)
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Magnet
0,2 T
1,0 T
1,5 T
gleiche Meßparameter
unterschiedlicherBildeindruckaufgrundfeldabh.Signal-Rauschen-Verhältnis
Meßparameterauf Feldstärkeoptimiert
gleichbleibenderBildeindruck
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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)
Magnetresonanztomographie (MRT)
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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
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Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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)
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Gradientenspulen (II)
am häufigsten verwendete Spulenformen
Gx-Spule um 90° gedreht
Berechnung des Feldes nach Biot-Savart-Gesetz: IdrrI
Bdrrr
×⋅⋅
= 30
4πµ
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Gradientenspulen (III)
1984: Jedi-Helmets
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Gradientenspulen (IV)
Kompensation von Wirbelstrom-Effekten(viele Bauteile des Magneten aus Aluminium → Wirbelströme !!)
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
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)
Magnetresonanztomographie (MRT) Systemkomponenten
Quelle: Siemens + Philips