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PowerPoint - MR Imaging - Instituts für Medizinische Physik

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Einführung in die Grundlagen der<br />

<strong>Medizinische</strong> <strong>Physik</strong><br />

Magnetresonanztomographie<br />

Dr. phil. nat Lydia Wachsmuth


2<br />

Magnetresonanztomographie<br />

<strong>MR</strong>-Tomograph<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Nuclear Magnetic Resonance (N<strong>MR</strong>)<br />

Magnetic Resonance <strong>Imaging</strong> (<strong>MR</strong>I)<br />

Magnetresonanztomographie (<strong>MR</strong>T)


3<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Einführung Einf hrung<br />

Spinphysik<br />

Pulssequenzen<br />

Bildgebung<br />

Signalverhalten<br />

Anwendungsbeispiele<br />

Magnetresonanztomographie


4<br />

nicht-invasiv<br />

nicht-ionisierend<br />

freie Wahl der<br />

Schnittebene<br />

2D und 3D<br />

Verfahren<br />

Warum <strong>MR</strong>T?<br />

Direkte Darstellung von Weichgewebe<br />

Exzellenter Weichgewebekontrast<br />

Modifikation des Kontrastverhaltens durch<br />

Auswahl der Pulssequenzen und<br />

Aufnahmeparameter<br />

T1-Betonung T2-Betonung PD-Betonung<br />

Magnetresonanztomographie


5<br />

Historie<br />

• 1946 Entdeckung des Magnetresonanzphänomens durch Felix<br />

Bloch und Edward Purcell (1952 Nobelpreis)<br />

• bis in die 70er Jahre Weiterentwicklung der N<strong>MR</strong> v.a. zur chem.<br />

Analyse/Strukturaufklärung<br />

• 1960 Vladislav Ivanov stellt Patentantrag <strong>für</strong> ein „Free-precession<br />

proton microscope“<br />

• 1971 Raymond Damadian zeigt als erster Unterschiede in den<br />

Relaxationseigenschaften zwischen Tumor und gesundem Gewebe<br />

• 1973 erstes <strong>MR</strong>-Bild von Paul Lauterbur mit der Rückprojektion<br />

(2003 Nobelpreis zusammen mit Sir Peter Mansfield)<br />

• 1975 Einführung der Fourier-Bildrekonstruktion <strong>für</strong> <strong>MR</strong>I von Richard<br />

Ernst (1991 Nobelpreis)<br />

• seit den 80er Jahren zunehmender Einsatz in der klinischen<br />

Routine<br />

• 1993 Entwicklung des f<strong>MR</strong>I<br />

Magnetresonanztomographie


6<br />

Wellenlängenbereiche <strong>für</strong> die Bildgebung<br />

Electromagnetic Radiation<br />

ionizing radiation<br />

(molecular bonds break)<br />

non-ionizing radiation<br />

(heating)<br />

frequency (Hz)<br />

10 18<br />

10 16<br />

10 14<br />

10 12<br />

10 10<br />

10 8<br />

10 6<br />

Magnetresonanztomographie<br />

X-ray<br />

UV<br />

Visible<br />

IR<br />

Microwave<br />

RF


7<br />

Einheiten und Größenordnungen<br />

statisches Magnetfeld B 0 [T]<br />

0.2 bis 11 T (Erdmagnetfeld ≈ 5 x 10 -5 T)<br />

Hochfrequenz ω 0 [MHz]<br />

15 bis 800 MHz<br />

zeitlich veränderliche Gradienten G [mT/m]<br />

15 bis 200 mT/m<br />

Magnetresonanztomographie


8<br />

Hardware<br />

<strong>Imaging</strong> System Components<br />

Magnet incl. cooling RF Receiver<br />

Gradient Power<br />

System<br />

RF<br />

Transmitter<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Viewing Console<br />

Scan Control Unit


Kernspin = +<br />

1<br />

2<br />

,-<br />

1<br />

2<br />

Die Eigenrotation eines geladenen<br />

Teilchens verursacht ein<br />

magnetisches Moment .<br />

Die Stärke dieses magnetischen<br />

Moments ist eine stoffspezifische<br />

Größe.<br />

Gyromagnetische Konstante γ<br />

9<br />

Kernspin<br />

Atomkerne mit einer ungeraden Anzahl Protonen oder Neutronen besitzen<br />

einen mechanischen Eigendrehimpuls.<br />

I v<br />

μ v<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Periodensystem der Elemente


Element<br />

Wasserstoff<br />

Natrium<br />

Fluor<br />

Xenon<br />

Phosphor<br />

Kohlenstoff<br />

10<br />

Verwendete „<strong>MR</strong>-sichtbare“ Kerne<br />

Symbol<br />

1 H<br />

23 Na<br />

19 F<br />

129 Xe<br />

31 P<br />

13 C<br />

γ (MHz/T)<br />

42.58<br />

11.26<br />

40.05<br />

11.84<br />

17.24<br />

10.71<br />

Natürliche<br />

Häufigkeit*<br />

99.99<br />

100<br />

100<br />

26.4<br />

100<br />

1.11<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Biologische<br />

Häufigkeit*<br />

63<br />

0.041<br />

Spuren<br />

Spuren<br />

0.24<br />

9.4<br />

* Angaben in %<br />

Bildgebung<br />

Spektroskopie


Kernspins im externen Magnetfeld<br />

Spins richten sich parallel<br />

oder antiparallel zu B0 aus.<br />

B0 v<br />

N<br />

−<br />

/ N+<br />

=<br />

N-<br />

N+<br />

e<br />

Boltzmann-Verteilung<br />

antiparallel<br />

ΔE<br />

parallel<br />

−ΔE<br />

/ kT<br />

Boltzmann Konstante K = 1.3805x10<br />

ΔE<br />

11<br />

Magnetresonanztomographie<br />

-23 J/Kelvin<br />

Energiedifferenz<br />

Temperatur T (Kelvin)<br />

Spins „präzessieren“ um<br />

die Achse von B0 .<br />

B0 v<br />

0 B v v<br />

ω = γ ×<br />

μ v<br />

Larmor-Frequenz<br />

0<br />

ω v<br />

0


12<br />

Thermisches Gleichgewicht<br />

M v<br />

Nettomagnetisierung = Longitudinale Magnetisierung z<br />

Konvention: z = Patientenlängsachse<br />

0<br />

Magnetresonanztomographie<br />

M v


Durch Absorption elektromagnetischer Strahlung können Übergänge<br />

zwischen Energieniveaus erzeugt werden, wobei:<br />

13<br />

ν v<br />

=<br />

ΔE<br />

h<br />

Anregung der Spins<br />

v<br />

ν =<br />

v<br />

ω 0<br />

2π<br />

Plank‘sches Wirkungsquantum h = 6.63x10 -34 J s<br />

ω v<br />

0<br />

ω<br />

Magnetresonanztomographie<br />

γ<br />

×<br />

2π<br />

0 = B<br />

0


B v<br />

0<br />

14<br />

ω v<br />

x<br />

0<br />

Mz v<br />

z<br />

Laborsystem<br />

Anregung der Spins<br />

Mxy v<br />

y<br />

x = x´<br />

Mz v<br />

Magnetresonanztomographie<br />

z = z´<br />

α<br />

Mxy v<br />

ω v<br />

0<br />

y = y´<br />

Rotierendes Koordinatensystem


ω v<br />

x´<br />

15<br />

0<br />

B0 v<br />

z´<br />

90°<br />

ω 0<br />

v<br />

Mxy v<br />

Anregung der Spins<br />

90°-Puls<br />

N-<br />

y´<br />

N+<br />

Gleichbesetzung der Energieniveaus<br />

nur transversale Magnetisieung!<br />

ω v<br />

x´<br />

B 0<br />

v<br />

Magnetresonanztomographie<br />

0<br />

z´<br />

ω 0<br />

v<br />

180°<br />

Mz v<br />

−<br />

Besetzungsinversion<br />

180°-Puls<br />

y´<br />

N-<br />

N+<br />

nur longitudinale Magnetisierung!


Mz v<br />

16<br />

T1-Relaxation<br />

Longitudinale Relaxation, Spin-Gitter-Relaxation<br />

z´<br />

ω 0<br />

v<br />

Mxy v<br />

y´<br />

v<br />

Mz(t<br />

)<br />

M 0<br />

t<br />

T1<br />

5 × T1<br />

x´<br />

Mz (t): longitudinale Magnetisierung zur Zeit t<br />

M0 : longitudinale Magnetisierung vor der Anregung<br />

T1: T1-Relaxationszeit (die Zeit, zu der die longitudinale Magnetisierung<br />

wieder 63% ihres Wertes vor der Anregung erreicht hat)<br />

Magnetresonanztomographie<br />

gewebeabhängig!<br />

v<br />

Mz<br />

− t<br />

1<br />

( t)<br />

= M 0( 1− eT<br />

)<br />

v


17<br />

x´<br />

T2-Relaxation<br />

Transversale Relaxation, Spin-Spin-Relaxation<br />

z´<br />

M v<br />

xy<br />

y´<br />

M 0<br />

v<br />

Mxy(t<br />

t = T2<br />

M xy (t): transversale Magnetisierung zur Zeit t<br />

M 0 : longitudinale Magnetisierung<br />

T2: T2-Relaxationszeit (Zeit, zu der die transversale Magnetisierung<br />

auf 37% ihres Wertes nach der Anregung abgefallen ist)<br />

Magnetresonanztomographie<br />

)<br />

M<br />

v<br />

gewebeabhängig!<br />

2<br />

0 T<br />

−t<br />

xy( t)<br />

M e<br />

= v<br />

t


ω v<br />

18<br />

0<br />

x´<br />

z´<br />

Mxy v<br />

e<br />

<strong>MR</strong>-Signal<br />

ω 0<br />

v<br />

T<br />

t<br />

2*<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Die transversale Magnetisierung<br />

präzediert in der xy-Ebene und<br />

induziert in der Empfangsspule<br />

eine Spannung:<br />

FID (free induction decay)<br />

− im realen, inhomogenen Magnetfeld:<br />

T2*- statt T2-Relaxation<br />

zusätzliche Spindephasierung durch<br />

makroskopische<br />

Magnetfeldinhomogenitäten<br />

T2* abhängig vom Magneten


19<br />

Schnittebenen und Koordinaten in der<br />

klinischen Bildgebung<br />

rechts<br />

links<br />

anterior<br />

Magnetresonanztomographie<br />

posterior<br />

inferior<br />

superior<br />

= Transversal


<strong>für</strong> eindeutige Ortzuordnung der <strong>MR</strong>-Signale im 3-dimensionalen Raum<br />

Ortkodierung<br />

20<br />

-1.0 m<br />

Bildgebung<br />

B 0 +20 mT<br />

B 0<br />

B 0 -20 mT<br />

Magnetresonanztomographie<br />

G z<br />

(= 20 mT/m)<br />

+1.0 m<br />

Gradient G: Magnetfeld, dessen Stärke sich linear mit dem Ort ändert.<br />

3 senkrecht zueinander stehende Gradienten<br />

z


Schichtauswahlgradient Gs (z.B. Gz <strong>für</strong> eine transversale Schicht in xy)<br />

Schaltung mit der Frequenzbandbreite Δω Δω während der Anregung:<br />

21<br />

Schichtauswahlgradient (2D)<br />

B = B0 + B1z ωz = γ B0 + γ B1z Anregung der Spins nur innerhalb Schichtdicke Δz<br />

Δω<br />

Δω<br />

ω<br />

Δz<br />

Magnetresonanztomographie<br />

G s = G z<br />

z


Phasenkodiergradient G ϕ (z.B. G y )<br />

Schaltung zwischen Anregung und Signalauslesen:<br />

Phase der Spins ϕ y abhängig vom Ort y<br />

„Phasengedächtnis“ der Spins nach dem Abschalten des Gradienten.<br />

22<br />

Phasenkodiergradient (2D)<br />

G ph = G y<br />

y<br />

y 5 ϕ 5<br />

y 4 ϕ 4<br />

y 3 ϕ 3<br />

y 2 ϕ 2<br />

y 1 ϕ 1<br />

. . . . .<br />

. . . . .<br />

. . . . .<br />

. . . . .<br />

. . . . .<br />

ω 1 ω 2 ω 3 ω 4 ω 5<br />

x 1 x 2 x 3 x 4 x 5<br />

Magnetresonanztomographie<br />

x


23<br />

Frequenzkodiergradient (2D)<br />

Auslese- oder Frequenzkodiergradient G r (z.B. G x )<br />

Schaltung während des Signalauslesens:<br />

Sendefrequenzen ω x der Spins abhängig vom Ort x<br />

y<br />

. . . . .<br />

. . . . .<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

ω 1 ω 2 ω 3 ω 4 ω 5<br />

x 1 x 2 x 3 x 4 x 5<br />

Magnetresonanztomographie<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

.<br />

x<br />

G r = G x


24<br />

Bildgebung 3D<br />

1. Anregung des gesamten Bildvolumens<br />

2. Schaltung der Phasengradienten Gz und Gy<br />

zwischen Anregung und Signalauslesen.<br />

3. Schaltung des Lesegradienten Gx während des<br />

Signalauslesens.<br />

Magnetresonanztomographie


Anregung<br />

Auslesen<br />

Schichtdicke<br />

Auflösung<br />

Ortkordierung<br />

G s , G ph , G r = Scheiben-, Phasen-, bzw. Lesegradient<br />

25<br />

2D / 3D - Bildgebung<br />

2D<br />

• einzelne Schicht<br />

• einzelne Schicht<br />

• max. 2 mm<br />

• nicht isotrop<br />

• G s, G ph, G r<br />

Magnetresonanztomographie<br />

3D<br />

• gesamtes Volumen<br />

• einzelne Schicht<br />

• < 1 mm<br />

• isotrop<br />

• G s (als G ph), G ph, G r<br />

Signal-to-Noise-Ratio S/N<br />

Messzeit


Rohdatenbild<br />

Frequenzraum „k-Raum“<br />

26<br />

FT<br />

Bildrekonstruktion<br />

<strong>MR</strong>-Bild<br />

Ortraum<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Rückprojektion<br />

Lauterbur PC, Nature 1973; 242: 190<br />

Fourier-Transformation


90°-Puls<br />

27<br />

x´<br />

Pulssequenzen: Spinecho (SE)<br />

z´<br />

t = 0<br />

y´<br />

x´<br />

T2*-Relaxation<br />

z´<br />

y´<br />

0 < t < TE/2<br />

180°-Puls<br />

x´<br />

z´<br />

t = TE/2<br />

Magnetresonanztomographie<br />

y´<br />

x´<br />

z´<br />

t = TE<br />

Spinecho<br />


28<br />

HF<br />

G s<br />

G ph<br />

G r<br />

<strong>MR</strong>-Signal<br />

Pulssequenzen: Spinecho (SE)<br />

90° 180°<br />

FID ECHO<br />

Echozeit TE<br />

Repetitionszeit TR<br />

Magnetresonanztomographie


90° 180°<br />

29<br />

Pulssequenzen: Multislice SE<br />

TE<br />

Schicht 1<br />

90° 180°<br />

TE 90° 180°<br />

TR<br />

Schicht 2<br />

TE<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Schicht 3<br />

Schicht 1<br />

90° 180°<br />

TE


30<br />

Pulssequenzen: Schnelles Spinecho<br />

K-Raum<br />

FSE, TSE<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Mehrere 180°Pulse, deren<br />

Echos unterschiedlich<br />

phasenkodiert werden<br />

Deutlich kürzere Messzeiten als<br />

mit der SE-Technik


α<br />

31<br />

TE<br />

Pulssequenzen Gradientenecho<br />

TR<br />

FLASH, SPGR<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Anregung mit Flipwinkel<br />

α < 90°<br />

Gradientenumkehr statt 180°-Puls<br />

Kürzere Messzeit als SE-Technik<br />

3D-Bildgebung<br />

Höhere Anfälligkeit <strong>für</strong><br />

Suszeptibilitätsartefakte


32<br />

Messzeit<br />

Voxelgröße<br />

Signal-Rauschen<br />

Bildqualität<br />

T =<br />

TR<br />

V<br />

=<br />

FOV<br />

SD × N<br />

S / N ≈ V Nph<br />

Nac<br />

BW<br />

S / N ≈<br />

TR<br />

N<br />

Magnetresonanztomographie<br />

ph N N<br />

X X ac(X<br />

part<br />

r × Nph<br />

)<br />

−1


Gewebeparameter<br />

Protonendichte PD,<br />

T1-Relaxationszeit*,<br />

T2-Relaxationszeit*<br />

Pulssequenz<br />

Scanparameter<br />

Repetitionszeit TR,<br />

Echozeit TE,<br />

Fettunterdrückung,<br />

Flipwinkel, Echozuglänge, ...<br />

Signalverhalten<br />

* durch Kontrastmittel beeinflussbar<br />

33<br />

Magnetresonanztomographie


34<br />

Gewebeparameter *<br />

Gewebe T 1 (s) T 2 (ms)<br />

Liquor 0.8 - 20 110 - 2000<br />

Weisse Substanz 0.76 - 1.08 61-100<br />

Graue Substanz 1.09 - 2.15 61 - 109<br />

Hirnhaut 0.5 - 2.2 50 - 165<br />

Muskel 0.95 - 1.82 20 - 67<br />

Fett 0.2 - 0.75 53 - 94<br />

*bei 1.5 Tesla<br />

Fletcher LM et al, Magnetic Resonance in Medicine 1993; 29: 623-630<br />

Magnetresonanztomographie


v<br />

Mz(t<br />

)<br />

35<br />

Betonungen in der SE-Technik<br />

Kurze T1<br />

Lange T1<br />

v<br />

Mxy(t<br />

)<br />

Kurze T2<br />

TR TE<br />

S = PD (1 - e -TR/T1 ) e -TE/T2<br />

Protonendichte-Betonung TR >>T1, TE T1, TE T2<br />

Magnetresonanztomographie<br />

≈<br />

Lange T2<br />


Betonung<br />

TR<br />

TE<br />

signalreich<br />

signalarm<br />

36<br />

Betonungen in der SE-Technik<br />

T1<br />

400-600<br />

10-20<br />

Gewebe mit kurzer<br />

T1: Fett, weisse<br />

Substanz<br />

Gewebe mit langer<br />

T1: Flüssigkeit,<br />

Liquor<br />

T2<br />

2000-3000<br />

70-120<br />

Gewebe mit langer<br />

T2: Flüssigkeit,<br />

Liquor<br />

Gewebe mit kurzer<br />

T2: Muskel<br />

Magnetresonanztomographie<br />

PD<br />

2000-3000<br />

10-20<br />

Gewebe mit hoher<br />

PD: Fett<br />

Gewebe mit<br />

niedriger PD


Anwendungsbeispiel: Infarktdiagnostik<br />

37<br />

Magnetresonanztomographie


38<br />

Anwendungsbeispiel: Cardiac <strong>MR</strong>I<br />

Larson AC et al. , Magnetic Magnetresonanztomographie<br />

Resonance in Medicine 2004; 51(1): 93-102


39<br />

Anwendunsbeispiel:Gelenke<br />

SE (1500 / 20), scan time 13 min GRE (400 / 7,5 / 75°), scan time 3 min<br />

2.4 T, SD 1 mm, 150 x 75 µm<br />

Hodgson RJ et al., Investigative Radiology 1995, 30(9): 522-531<br />

Magnetresonanztomographie


40<br />

Anwendungsbeispiel: Gelenke<br />

FSE FSE + FS<br />

Verbesserung des Bildkontrastes durch Fettunterdrückung.<br />

<strong>MR</strong>I of the musculoskeletal system, TH Berquist ed.<br />

Magnetresonanztomographie


Anwendungsbeispiel: Tumordiagnostik<br />

41<br />

pre KM<br />

4:01 post KM<br />

Leberhämangiom (2D GRE, T1, KM-Anflutung)<br />

Magnetresonanztomographie<br />

2:24 post KM<br />

4:33 post KM


42<br />

<strong>MR</strong>-Kontrastmittel<br />

Paramagnetische Ionen beschleunigen Relaxationsprozesse benachbarter<br />

Protonen durch das starke magnetische Moment ihrer ungepaarten<br />

Elektronen<br />

Verkürzung der T1-Relaxation<br />

Aufgrund ihrer Toxizität werden paramagnetische Ionen, z.B. Gd 3+ , Mn 2+<br />

chelatisiert<br />

GdDTPA (Magnevist) negativ geladen<br />

ProHance, Omniscan ungeladen<br />

Eine neue Klasse von <strong>MR</strong>T-Kontrastmitteln, USPIO (ultrasmall<br />

superparamagnetic iron oxide)<br />

Verkürzung der T2-Relaxation<br />

Magnetresonanztomographie


43<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Anwendungsbeispiel:<br />

f<strong>MR</strong>I<br />

BOLD blood oxigenation level<br />

dependent<br />

Baudewig J et al., Magnetic Resonance<br />

<strong>Imaging</strong> 2003, 21(10): 1121-1130


44<br />

Anwendungsbeispiel: Angiographie<br />

Aorta und Nieren Herzkranzgefäße<br />

De Koning PJH, <strong>MR</strong>M 2004, 50(6):1189-1198<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Huber ME, <strong>MR</strong>M 2003, 49(1): 115-121


Anwendungsbeispiele: Spektroskopie<br />

1 H<br />

Ugurbil K et al.,<br />

<strong>MR</strong>I 2003,<br />

21(10): 1263-<br />

1281<br />

Henry PG et al.,<br />

<strong>MR</strong>M 2004, In<br />

press<br />

45<br />

13 C<br />

Magnetresonanztomographie<br />

31 P<br />

Lei H et al., <strong>MR</strong>M 2003, 49:<br />

199–205.


Risiken:<br />

• Herzschrittmacher, ferromagnetische Gefäßclips, etc.<br />

Kontraindikationen <strong>für</strong> <strong>MR</strong>-Untersuchung!<br />

Nebenwirkungen:<br />

• Anziehung von ferromagnetischen Metallteilen<br />

• Geräusche (durch das Gradientenschalten)<br />

• Schwindel, Erwärmung des Patienten, ...(?)<br />

Grenzwerte <strong>für</strong> B 0, dB/dt, SAR (spezifische Absorptionsrate)<br />

EU: ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection)<br />

USA: FDA<br />

46<br />

...zu Risiken und Nebenwirkungen...<br />

Magnetresonanztomographie


47<br />

Zukunftsperspektiven<br />

• Verbesserung der räumlichen und zeitlichen<br />

Auflösung bei optimaler Bildqualität<br />

z.B. Feldstärke, Gradienten, Spulen<br />

• quantitative <strong>MR</strong>T<br />

z.B. Morphometrie, T1-, T2-Maps, Diffusion,<br />

Perfusion<br />

• nichtinvasive Gefäßdiagnostik (<strong>MR</strong>-Angiographie)<br />

<strong>für</strong> alle Gefäßregionen<br />

• dynamische Studien<br />

z.B.: Kontrastmittelakkumulation<br />

• funktionelle Studien<br />

z.B.: Herzbewegung, Hirnaktivität<br />

• Molecular <strong>Imaging</strong><br />

• <strong>MR</strong>T-gesteuerte und -überwachte Intervention<br />

z.B.: Biopsie<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Ganzkörperscan Siemens Avanto<br />

TIM (total imaging matrix)


48<br />

Literatur: www.cis.rit.edu/htbooks/mri<br />

Magnetresonanztomographie


49<br />

T2 Messung<br />

Magnetresonanztomographie


Pulssequenz: Inversion Recovery (IR)<br />

S = PD ((1 - 2e -TI/T1 ) + e -TR/T1 ) e -TE/T2<br />

TI = T 1 ln2<br />

50<br />

T1-Messung<br />

Magnetresonanztomographie<br />

Inversion Delay<br />

0.05 s 0.15 s 0.3 s 0.5 s<br />

0.8 s 1.2 s 1.6 s 2.0 s


Magnetisierungstransfer (MT)-<strong>Imaging</strong><br />

• Knorpel zeigt einen starken MT-Effekt.<br />

• Der MT-Quotient beschreibt diesen Effekt quantitativ.<br />

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Magnetresonanztomographie

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