Einführung in die Medizinische Informatik - Wintersemester 2024/25 - Teil 10 PDF

Einführung in die Medizinische Informatik Wintersemester 2024/25 – Teil 10 uni-siegen.de Prof. Dr. Kai Hahn 13. Januar 2025 uni-siegen.de 5.2 Bildgebende Verfahren 5.2.4 Magnetresonanz- tomographie Computertomografie Nachteile – weiches Geweb...

Einführung in die Medizinische Informatik Wintersemester 2024/25 – Teil 10 uni-siegen.de Prof. Dr. Kai Hahn 13. Januar 2025 uni-siegen.de 5.2 Bildgebende Verfahren 5.2.4 Magnetresonanz- tomographie Computertomografie Nachteile – weiches Gewebe ohne großen Kontrast – Strahlenbelastung: – Natürlich ca. 2,0 -3,0 mSv/a (Höhe über N.N.) – Transatlantikflug ca. 0,1 mSv/Flug – Röntgenaufnahme ca. 0,2 mSv/Aufnahme – CT ca. 5,0 – 20,0 mSv/Aufnahme – Letal nach 30 Tagen ca 5.000 mSv (5 Sv) – Letal unmittelbar 80.000 mSv (80 Sv) – Tschernobyl: Belastung der Feuerwehrleute ↳ für den Mensche z.T. 200 Sv/h der Strahlung se an der UnterschiedlicheHöhen EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 3 Magnetresonanztomographie* (MRT) Bildgebende Diagnosetechnik – Gegenüber CT verbesserte Darstellung und Unterscheidbarkeit von Weichgeweben – Reduzierte Patientenbelastung Keine Röntgenstrahlung – Möglichkeit zum Echtzeiteinsatz Funktionelles MRT (fMRT) (s. Modul Medizintechnik) * Auch MRI (magnet resonance imaging), Kernspintomographie oder kurz Kernspin EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 4 MRT- Funktionsprinzip Spin Atomkerne mit ungerader Protonen- oder Neutronenzahl verfügen über einen Eigendrehimpuls, den sog. Spin. Sie werden dadurch zu winzigen Magneten. Der für die Bildgebung am besten geeignete Atomkern ist das Wasserstoffatom. ⇒ MRT liefert vor allem von wasserhaltigen Geweben sehr genaue und differenzierte Darstellungen, ⇒ z.B. von inneren Organen, Gelenkknorpel, Meniskus, Rückenmark und Gehirn. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 5 MRT- Funktionsprinzip Im Normalzustand sind die Spins in einem Stück Materie ungeordnet. Legt man starkes äußeres Magnetfeld an, richten sich die Atomkerne wie Kompassnadeln parallel oder antiparallel zu den Feldlinien dieses Magnetfeldes aus. Wird diese Ordnung gestört (z.B. durch einen elektrischen Impuls hoher Frequenz), vollführen die Atomkerne eine Kreiselbewegung um die Feldlinien, die man als Präzessionsbewegung bezeichnet. Die Frequenz dieser Bewegung wird Larmor-Frequenz genannt. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 6 MRT- Funktionsprinzip Hochfrequenzimpuls (HF-Impuls) Die Ausrichtung der Kernspins allein erzeugt noch keine Bilddarstellung. Deshalb wird senkrecht zur Richtung des äußeren Magnetfelds eine „Störung“ durch einen kurzen Hochfrequenzimpuls eingestrahlt (Transversalmagnetisierung). Die Frequenz des Impulses (Resonanzfrequenz) entspricht dabei der Larmor-Frequenz. Der Impuls hat folgende Konsequenzen: – Die längs des äußeren Magnetfelds ausgerichteten Kernspins werden dadurch kurz zum "Schlingern" gebracht bzw. "umgeklappt". – Die Kreiselbewegung (Präzession) aller Atomkerne wird kurzzeitig synchronisiert (sogenannte Phasenkohärenz). EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 7 MRT- Funktionsprinzip T1-Relaxation Nach dem Ende des HF-Impulses richten sich die Kernspins wieder entlang des äußeren Magnetfelds aus. Sie geben dabei Energie an die Umgebung ab, die man mit einer geeigneten Antenne detektieren kann. Diesen Prozess des Wiederaufbaus der Längsmagnetisierung bezeichnet man als T1-Relaxation. Sie hängt wesentlich von der Wärmeleitfähigkeit des Gewebes ab – Gewebe mit schnellem Wärmetransfer (z.B. Fettgewebe) stellen sich in T1-gewichteten Bildern hell dar, Gewebe mit langsamem Wärmetransfer dunkel (z.B. Liquor). – T1 liegt typsicherweise im Bereich von ½ bis zu wenigen Sekunden. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 8 MRT- Funktionsprinzip T2-Relaxation Nach dem Ausschalten des HF-Impulses verlieren die Atomkerne auch die Phasenkohärenz. Dies wird als T2-Relaxation bezeichnet. Der damit verbundene Verlust der Phasensynchronisation führt ebenfalls zur Aussendung eines Engergiepulses. Gewebe, die die Phasenkohärenz relativ lange aufrechterhalten können, stellen sich in MRT-Bildern hell dar (z.B. Wasser). – T2 liegt typischerweise im Bereich von wenigen hundert ms. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 9 MRT- Funktionsprinzip MRT-Geräteparameter – T1- und T2-Relaxation treten bei MRT-Aufnahmen immer gemeinsam auf, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten. – Durch Veränderung der Geräteparameter (MRT-Systemparameter) z.B. der Pulswiederholzeit (TR) oder der Echozeit (TE) kann man festlegen, ob man vornehmlich die T1- oder die T2- Relaxation betrachten will: T1-gewichtete Bilder (T1w) – hier wird insbesondere die T1-Relaxation gemessen, T2-gewichtete Bilder (T2w) – hier wird insbesondere die T2-Relaxation gemessen. Durch Variation von TR und TE lassen sich MRT-Aufnahmen mit unterschiedlichen Kontrastverteilungen für unterschiedliche Gewebestrukturen erzielen. Die konkrete elektromagnetische Pulssequenz, die bei einer Untersuchung verwendet wird, bezeichnet man als MRT-Sequenz. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 10 MRT- Funktionsprinzip MRT-Geräteparameter – T1- und T2-Relaxation treten bei MRT-Aufnahmen immer gemeinsam auf, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten. – Durch Veränderung der Geräteparameter (MRT-Systemparameter) z.B. der Pulswiederholzeit (TR) oder der Echozeit (TE) kann man festlegen, ob man vornehmlich die T1- oder die T2- Relaxation betrachten will: T1-gewichtete Bilder (T1w) – hier wird insbesondere die T1-Relaxation gemessen, T2-gewichtete Bilder (T2w) – hier wird insbesondere die T2-Relaxation gemessen. Durch Variation von TR und TE lassen sich MRT-Aufnahmen mit unterschiedlichen Kontrastverteilungen für unterschiedliche Gewebestrukturen erzielen. Die konkrete elektromagnetische Pulssequenz, die bei einer Untersuchung verwendet wird, bezeichnet man als MRT-Sequenz. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 11 MRT- Funktionsprinzip Problem – Das Relaxationssignal des gesamten Untersuchungsobjekts wird von einer geeigneten HF- Spule (Antenne) empfangen. Es lässt sich auf diese Weise zwar nach Amplitude, Frequenz und Phase analysieren, nicht aber nach dem Ort, von dem es ausgesendet wurde. – Damit allein lässt sich also kein Bild rekonstruieren. – Um dies zu ermöglichen, ist bei MRT-Aufnahmen eine aufwändige Methode der Ortskodierung erforderlich. – Diese basiert auf dem Anlegen von Magnetfeldgradienten in den drei Raumdimensionen. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 12 Ortskodierung Schichtselektion – (z-Gradient) EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 13 Ortskodierung Schichtselektion – Dieser Magnetfeldgradient führt zu einer entlang der z-Achse variierenden Larmorfrequenz. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 14 Ortskodierung Schichtselektion – Nur noch innerhalb einer konkreten Schicht entlang der z-Achse präzedieren nun alle Spins mit der gleichen Frequenz um die Richtung des Grundmagnetfeldes. – Wird nun ein HF-Impuls der entsprechenden Frequenz ausgesandt, so wirkt dieser ausschließlich auf die Atome mit der passenden Larmorfrequenz, also diejenigen in der selektierten Schicht. Aber wir sind noch nicht fertig: – Innerhalb des Kernresonanzsignals der selektierten Schicht ist nämlich immer noch keine Information über die x- und y-Positionen der empfangenen Signale vorhanden. – Es muss also auch noch eine Selektion in x- und y-Richtung erfolgen. – Dies erfolgt durch die Frequenz- und die Phasenkodierung. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 15 Ortskodierung Frequenzkodierung (x-Gradient) – Zur Frequenzkodierung in der selektierten Schicht wird dem Grundmagnetfeld während der Aufnahme des Signals ein Gradientenfeld senkrecht zu dem Schichtselektionsgradienten, beispielsweise in x-Richtung, überlagert. – Dieses modifiziert die Larmorfrequenzen der in ihr befindlichen Wasserstoffatome in einer Weise, die abhängig von ihrer Position in x-Richtung ist. Die so erzeugten unterschiedlichen Frequenzen finden sich im Auslesesignal wieder, können voneinander getrennt (→ Fourier- Transformation) und mit der „Spalte“ ihres Auftretens verknüpft werden. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 16 Ortskodierung Phasenkodierung (y-Gradient) – Der Phasenkodiergradient wird vor dem Frequenzkodiergradienten entlang der dritten Achse, hier der y-Achse ,angelegt. – Nach dem Anlegen des Schichtselektionsgradienten präzedieren alle Spins in Phase. – Während der Anwendung des Phasenkodiergradienten entsteht eine lineare Änderung der Präzessionsfrequenz und -phase entlang des Gradienten.* – Nach dem Abschalten des Phasenkodiergradienten kehren die Spins wieder zu der Larmorfrequenz zurück, die eingeprägte Phasenverschiebung bleibt aber kurzzeitig erhalten und kann anschließend ausgelesen werden. *Dies beschreibt nur grob das Prinzip der Phasenkodierung. Das Verfahren ist en Detail erheblich komplexer und erfordert das Einstrahlen einer Vielzahl unterschiedlicher Phasengradienten. Für das Grundverständnis können wir hier jedoch auf diese Details verzichten. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 17 Wie wird aus den kodierten Signalen jetzt ein Bild? k-Raum – Der sog. k-Raum, auch Fourierraum genannt, ist eine zweidimensionale Matrix, in die die Echodaten eingelesen werden. – Die Echodaten werden in die Spalten des k-Raums sortiert nach den empfangenen Larmorfrequenzen eingetragen. – In jeder Spalte werden die Signalanteile nach den jeweiligen Phasen sortiert aufgetragen. – Nach der Datenakquisition enthält der k-Raum so in Zeilenrichtung die Frequenzinformation, in Spaltenrichtung die Phaseninformation. – Durch eine inverse 2D-Fouriertransformation lässt sich dadurch ein Schnittbild rekonstruieren. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 18 Wie wird aus den kodierten Signalen jetzt ein Bild? k-Raum – Der sog. k-Raum, auch Fourierraum genannt, ist eine zweidimensionale Matrix, in die die Echodaten eingelesen werden. – Die Echodaten werden in die Spalten des k-Raums sortiert nach den empfangenen Larmorfrequenzen eingetragen – In jeder Spalte werden die Signalanteile nach den Hier wird gezeigt, jeweiligen Phasenanteilen welche Frequenzen in einem aufgetragen. – Nach der Datenakquisition Musiksignal zu enthält der welchen Anteilen enthalten sind. k-Raum so in Zeilenrichtung die Frequenzinformation, in Mathematisch Spaltenrichtung ist die Funktion, die diese Darstellung die Phaseninformation. – Durch eine inverse aus der 2D-Fouriertransformation Musik erzeugt, einelässt sich Fouriertransformation dadurch ein Schnittbild rekonstruieren. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 19 Wie wird aus den kodierten Signalen jetzt ein Bild? Man beachte Folgendes zum k-Raum: – Ein Wert im k-Raum entspricht nicht einem Pixel im Bild. – Pixelinformation und dadurch das eigentliche Bild entsteht erst dadurch, dass man die inverse Fouriertransformation - durchführt, die Frequenz- und Phaseninformation wieder in Ortsinformation zurückrechnet. – Daten um das Zentrum des k-Raums herum kodieren die grobe Struktur und den Kontrast des Bildes. – Daten im äußeren Bereich des k-Raums kodieren feinere Strukturen: Ränder, Kantenübergänge, Umrisse, etc. und damit die Auflösung. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 20 Aufbau von MRT-Geräten Links: Geschlossenes MRT, Rechts: offenes MRT – Was bedeutet 1,5 T? – T – Tesla ist die Maßeinheit für die Stärke des Grundmagnetfeldes des MRT-Geräts. – Moderne geschlossene MRT-Geräte sind in der Regel 3 T- oder 4 T-Geräte. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 21 Aufbau von MRT-Geräten Ein MRT-Gerät besteht aus: * – Patiententisch, – Spulensystemen, – Magnet. Es ist in einem Faraday‘schen Käfig vor Störungen geschützt und gibt somit auch keine Störungen an umliegende Geräte ab. *SL: Supraleitend EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 22 Aufbau von MRT-Geräten Magnet – Der Magnet ist der wichtigste Teil des MRT-Systems. Er erzeugt das statische B0-Grundmagnetfeld. – Grundsätzlich kommen dafür drei unterschiedliche Magnetentypen in Frage: Permanentmagnete „klassische“ Elektromagnete (resistive Magnete) Supraleitende Magnete – Bei hohen B0-Magnetfeldern ab ca. 1T können aufgrund von Aufbaugröße und -gewicht nur noch supraleitende Magnete zum Einsatz kommen. EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 23 Aufbau von MRT-Geräten Quench – Um den Supraleitungseffekt zu erzeugen und aufrechtzuerhalten müssen die Magnete mit flüssigem Helium während der Aufnahme auf einer Temperatur von weniger als -270°C gehalten werden. Übersteigt die Temperatur aufgrund eines Defekts im Kühlsystem diesen Wert, kommt es zu einem schlagartigen Aufbau eines ohmschen Widerstandes, der mit extrem hohen Temperaturen und Drücken verbunden ist und zu einer explosionsartigen Zerstörung des MRT-Gerätes führen kann. Dieser Effekt – Quench genannt - muss mit hohem technischem Aufwand zuverlässig verhindert werden!! EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 24 Aufbau von MRT-Geräten Spulensysteme – Shimspulen sorgen für eine Verbesserung der Homogenität des Grundmagnetfeldes. Dies ist erforderlich, da Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes zu Bildartefakten führen können. – Gradientenspulen, die die drei Raumrichtungen abdecken, erzeugen linear ansteigende magnetische Felder. Diese werden dem Grundmagnetfeld überlagert und dienen zur Schichtselektion und Ortskodierung des MRT-Bildes. – HF-Spulen dienen einerseits dem Senden des HF-Feldes, welches senkrecht zum Grundmagnetfeld eingestrahlt wird. Andererseits werden sie auch zum Empfang der entstehenden Signale verwendet. Lückenfragen Bild beschriften ↳ B. (10 Oramosverfahren der Code stammt D EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 Bespiel 25 Aufbau von MRT-Geräten HF-Spulen EMI - Vorlesung Teil 10 – 2024/25 26 THE END Einführung in die Medizinische Informatik Vielen Dank für Ihr Interesse! 13. Januar 2025 Vielen Dank Prof. Dr. Kai Hahn Am Eichenhang 50 57076 Siegen [email protected] Einführung in die Medizinische Informatik 13. Januar 2025 28