2 Shimspulensystem 8 Quadraturdemodulator mit 3 Gradientenspulensystem zwei NF-Tiefpässen mit ADC 4 HF-Resonator (Antenne) 9 ESB-Modulator mit zwei DAC 5 Patientenliege 10 HF-dichte Durchführungen
Abb.3.1: SchematischeDarstellungderKomponenteneinesKernspintomographen(nach
[Kres88a]).
Eine Beschreibung der einzelnen Komponenten und ihrer Funktionsweise ndet
sichbeispielsweisein[Kres88a]. AlleExperimentedieserArbeitwurdenan
Ganz-körpertomographen des Types Magnetom Vision
(Siemens Medizintechnik AG,
Erlangen) des Forschungsschwerpunkts Radiologische Diagnostik und Therapie
des Deutschen Krebsforschungszentrums Heidelberg (DKFZ) und des
Zentralin-stitutsfürSeelische GesundheitinMannheim(ZI)durchgeführt. Diewichtigsten
Daten dieser Systeme ndensich imAnhang.
Grundfeldmagnet
DerHauptmagnetliefertdasstatischeGrundfeld
~
B
0
. DieAnforderungenandieses
Feld sind zum einen eine ausreichende Stärke und zum anderen eine möglichst
hohe räumliche Homogenität und zeitliche Konstantz. Mit zunehmender
ma-gnetischer Feldinduktion
~
B
0
steigt auch die Intensität des Resonanzsignals an,
wodurch einhöheres S/Nund damit bessere Bildqualitätinder Bildgebungund
kürzereMesszeiten oderkleinereVoxelinderSpektroskopieerreichtwerden. Auf
der anderen SeiteistdieHomogenität beisteigender Feldstärketechnisch
zuneh-mend schwieriger zu realisieren. Im inhomogenen Feldsinkt die Relaxationszeit
T
2
. Dies bedeutet, die Transversalmagnetisierung und damit das detektierbare
Signal fallen schneller ab. Mit
~
B
0
steigt auch die Spin-Gitter-Relaxationszeit T
1
an, wodurch sichdie Messzeitverlängert. Für Messungen ammenschlichen
Kör-per sind zudem Grenzen durch die mit der Frequenz zunehmenden, im Gewebe
deponierten Leistung gesetzt.
Für MR-Systeme, die sowohl in der Bildgebung, als auch in der Spektroskopie
zum Einsatz kommen, werden in der Regel Feldstärken um
~
B
0
= 1;5 T oder
höher verwendet. Speziellfür die 1
H-BildgebungausgelegteMR-Systeme werden
meist mit Feldstärken
~
B
0
5 1;5 T betrieben und nutzen den langsamen Abfall
des Signalsfür schnelle Bildgebungssequenzen.
Zur Erzeugung des Feldes können prinzipiell Permanentmagnete,
Widerstands-magnete oder supraleitende Magnete genutzt werden. Die im Rahmen dieser
Arbeitverwendeten Tomographenverwenden supraleitendeMagneten (Material:
Niob-Titan-LegierunginCu-Matrix) miteiner Feldstärke von1;5 T. DerVorteil
der supraleitenden Magnete liegt in einem auch bei dieser Feldstärke noch sehr
homogenen und zeitlich konstanten Feld. Allerdings entstehen bei dieser Form
derFelderzeugunghoheAnschaungs-undBetriebskostendurchdieerforderliche
Kühlung des Kryostaten mitüssigem Sticksto und Helium.
Gradientensystem
DasGradientensystemeinesKernspintomographenbestehtaus
stromdurchosse-ne Spulen,dieindendreiRaumrichtungenlinearmitderentsprechenden
Ortsko-ordinatewachsende Feldererzeugen(DieFeldvektorenweisen stetsinz-Richtung
=Richtungdesstatischen Feldes). SiewerdenzurOrtskodierungdesgemessenen
Signalsverwendet (Abb.3.2). DieAnforderungenandas Gradientensystemsind:
Hohe Gradientenstärke. Mit steigender Gradientenstärke nimmt die
Orts-auösung des Systems bei kürzerer Messzeit zu. Auf der anderen Seite
sinkt bei hohen Gradientenfeldern das S/N. Die Gradientenstärken liegen
typischerweise zwischen 1 mT/m und 25 mT/m. Die maximale
Gradien-tenstärke des MagnetomVision liegtbei25 mT/m.
Kurze Schaltzeiten der Gradientenfelder. Das Magnetom Vision hat eine
Anstiegszeit (Ramp)von625 msauf 25mT /m.
Hohe Linearität.
Abb.3.2: Erzeugungvonstatischem Grundfeld(
~
B
0
),oszillierendemHF-Feld (
~
B
1
(t)) und
orthogonalenGradientenfeldern(G
x (t),G
y (t),G
z
(t))imKernspintomographen.
Dasstatische
~
B
0
-FeldwirdvonderMagnetwicklungA,derHF-Pulsvonder
Spu-le Cerzeugt. DasGradientensystem besteht aus einerkomplexen Anordnung
von Spulen auf dem Mantel D. (b), (c) und (d) zeigen die räumliche
Abhän-gigkeitderdreiGradientenfelder. DieFeldvektorenweisenstets in z-Richtung
(
~
B
0
)[Hins83a].
Shimsystem
Zum Ausgleich residualer Inhomogenitäten des
~
B
0
-Feldes wird das sogenannte
Shimsystem verwendet. Das passive Shimsystem besteht aus einer Reihe von
Metallblechen, dieauf dieInnenbohrung und aufder Auÿenäche des Magneten
aufgebrachtsind. ZusätzlichbendetsichinnerhalbdesMagnetfeldesein
komple-xesSystemvonShimspulen,dieInhomogenitäten des
~
B
0
-Feldesdurchzusätzliche
frei ansteuerbare Felderausgleichen.
3.1.2 Der Zweite HF-Kanal
Für die Protonenentkopplung während der Akquisitionsphase und den
Polari-sationstransfer mit der RINEPT-Sequenz wird ein zweiter HF-Sendekanal mit
1
H-Frequenzbenötigt. Der zweite Kanaldes SiemensVISION besteht aus einem
HF-SendermiteinerSpitzenleistungvon2kWbei16-85MHZ.Erwirdübereinen
Industrie-PC 386, 25 MHz mit 4 MB Hauptspeicher gesteuert. Die
Steuersoft-ware bietet die Möglichkeit, die Anzahl, Reihenfolge, Stärke, Länge, Frequenz,
Phase und Art (Rechteck-, Sinc-, Gauÿ- oder WALTZ4-Pulse) der HF-Pulse zu
bestimmen. Der Zeitpunkt, wann die Pulse gesendet werden, erfolgt über die
Sequenz amHauptgerät mitHilfe von Synchronisationspulsen (OSC-Pulse).
1 ms 2. Kanal
1. Kanal
0,3 ms
Abb.3.3: VariationderHF-PulsedesZweitenKanalsgegenüberdemErstenHF-Kanal.
Die Synchronisation zwischen MR-Tomograph und zweitem Kanal wurde mit
einem Oszilloskop überprüft und weist aufgrund der begrenzten
Leistungsfähig-keitdesSteuerrechnerseineVariationderHF-PulsedeszweitenKanalum 300s
nachhintenauf(Abb. 3.3). DaskanninsbesonderefürdieINEPT-und
RINEPT-Sequenzproblematischwerden,dadiesynchron eingestrahltenHF-Pulseaufdem
ersten und zweiten Kanal um ein Drittel ihrer Pulslänge (bei 1 ms HF-Pulsen)
verschoben sein können.
Die vom Prozessrechner des Tomographen an den zweiten HF-Kanal
gesende-ten Synchronisationspulse haben zweierlei Aswirkungen. Zum einen wird der
Steuerrechner des zweiten Kanals aufgefordert, den nächsten in der dort
gespei-cherten HF-Puls-Liste stehenden Puls zu senden. Die Länge des zu sendenden
HF-Pulsesist ebenfalls nur dem Steuerrechner des zweiten Kanals bekannt. Bei
dieser Anforderung kann die oben beschriebene Verzögerung von 300 s
auftre-ten. Andererseits önet die Länge des OSC-Pulses ein Zeitfenster, in dem der
Verstärker des zweiten HF-Kanals senden kann. Da die zeitliche Position des
Fensterssehr genauist,hat dievariableVerzögerung des Pulsesauf demzweiten
HF-Kanals zusätzlich den Eekt, dass der verzögerte HF-Puls durch das Ende
des Zeitfensters abgeschnitten werden kann. Das bedeutet, dass die Pulse des
zweiten Kanals,abhängig von derVerzögerung,variableLänge haben unddamit
dieMagnetisierungder Protonen um unterschiedliche Winkel drehen.
Zum Ausgleichwurden daher beider Sequenzprogrammierung der INEPT- und
RINEPT-SequenzdieSynchronisationspulse250svorBeginnder HF-Pulseauf
demersten Kanalgestartet underst mindestens100 s nachEnde derHF-Pulse
beendet.
3.1.3 Hochfrequenz-Antennensysteme
DasHochfrequenzsystem bestehtaus einem Sender, der HF-Pulsezur
Kernanre-gung emittiert, und dem Empfänger, der das induzierte Kernspinresonanzsignal
detektiert. Im allgemeinen ist die Sende- mitder Empfangsspule identisch. Der
Füllfaktorder Spule(VerhältnisvonProben- zuSpulenvolumen)muss möglichst
groÿ sein. Deshalb werden spezielle Spulen eingesetzt, die den Abmessungen
der zu untersuchenden Körperregion angepasst sind (Ganzkörperresonator,
Ex-tremitätenspule, Oberächenspule). In der vorliegenden Arbeit wurden für die
Experimente verschiedene Kopfspulen verwendet.
Dadas empfangene Signalsehrklein ist,muss sorgfältigdaraufgeachtet werden,
dass das Rauschen in der Empfangsspule bei maximaler Signalspannung
mög-lichst klein gehalten wird. Das Verhältnis aus Signalspannung S und Rauschen
N ist proportional zur Spindichte , der Gröÿe V des Messvolumens und der
Quadratwurzel aus der Messzeit t [Reis90a]:
S
N
/V p
t: (3.1)
Um S/N zu erhöhen, kann einerseits das zu messende Volumen vergröÿert
wer-den,wodurchallerdingsdieOrtsauösungabnimmt,oderdieMesszeitverlängert
werden. DieSpulemuss vorder MessungaufihreEigenresonanzfrequenzmitder
Belastung durch das Messobjekt abgestimmtwerden.
1
H-Spule
Zur Akquisiton von In-vivo-1
H-Spektren, sowie zur Aufnahme der 1
H-Spektren
der verwendeten Phantome wurde die zirkular polarisierte Standard-Kopfspule
des MagnetomVisionverwendet (Siemens MedizintechnikAG, Erlangen).
31
P-1
H-Doppelresonanzspulen
Für die Aufname von 31
P -Spektren wurden zwei Typen von HF-Spulen, eine
gekreuzte Helmholtzspule,sowieeinedoppelresonanteBirdcage-Spuleverwendet.
Bereits Anfang 1996 wurde bei einem externen Anbieter eine doppelresonante
31
P-1
H -Spule durch das ZI in Auftrag gegeben. Sie wurde drei Jahre später
fer-tiggestellt,erfüllteallerdingsnichtdievertraglichfestgelegtenSpezikationen
be-züglichder Homogenität des
~
B
1
-Feldes. Dadurchist eine Einstrahlung von
180°-HF-Pulsen über diegesamteAusdehnung des Gehirns nicht möglich. Daraufhin
wurde von Dr. Gerald Matson vom VA Medical Center in San Francisco (USA)
eine doppelresonante zirkular polarisierte Birdcage-Spule gebaut [Mats99a], die
zum Ende dieser Arbeit fertiggestellt war. Alle Phantommessungen wurden an
der gekreuzten Helmholtzspule des DKFZ durchgeführt, die nicht für
In-vivo-Messungen mit 1
H-Entkopplung zugelassenist. Siebesteht aus zwei Wicklungen
fürProtonenresonanzmit23cmDurchmesser,und zweiweiteren,dazusenkrecht
angeordnetenWindungenfür 31
P-Resonanzmit17cmDurchmesser(Siemens
Me-dizintechnik AG, Erlangen).
EinenotwendigeHF-technischeVorraussetzungfürdie
Doppelresonanz-Spektros-kopie ist die Entkopplung der beiden Resonanzkreise. Durch die 1
H-Entkopp-lungsspule,diewährend der Akquisitionsphase des Heterokern-Signals ( 31
P),mit
inAmplitude und Phase schnell geschalteter HFbetrieben wird, kommte es zur
Einkopplung von HF-Signal und (Sender-) Rauschen in die 31
P -Spule, das sich
mehroderwenigergleichmäÿigim26MHzFrequenzberichvon 31
P ausbreitetund
signikant über dem thermischen Rauschen liegt. Deshalb müssen
entsprechen-de Filter verwendet werden, die gerade die gewünschte 31
P-Frequenzbandbreite
besitzen. Bei gröÿerer Bandbreite würden die eingekoppelten Signale bzw. das
Rauschen den Vorverstärker sättigen. Für diegekreuzte Helmholtz-Spulewurde
einFilter verwendet,mitdem eineEntkopplungder beiden Resonanzkreise( 31
P-1
H) vonmindestens 50dBfür 25.8 MHz erzielt wird (H.-J. Zabel,DKFZ, eigene
Entwicklung).
EinweiteresProblem,das beiExperimenten mitProtonen-Entkopplungam
Ma-gnetomVISION auftritt,istderbreitbandigeVorverstärkerimEmpfangssystem.
Die durch dieFilter gewährleistete Entkopplung der Resonanzkreise reicht nicht
aus,umdaswährendderAkquisitioneingestrahlte 1
H-Signalausdem
Empfangs-signal zu eliminieren. Bei Experimenten mit 1
H-Entkopplung wurde daher der
Vorverstärkerdes TomographennachallennötigenMessungen mit 1
H-Aufnahme
überbrückt und durch einen schmalbandigen 31
P -Vorverstärkereines älteren
Ge-räts (Magnetom SP, SiemensMedizintechnik,Erlangen) ersetzt.
3.2 Software
ImRahmendieser Arbeitwurden folgende Expertensysteme unter den
Betriebs-systemen Windows NT und LINUX verwendet: Für die symbolischen
Matrix-Berechnungen in Kap. 1,sowie fürdie Berechnungender Point-Spread-Funktion
inKap. 2.1wurdeMaple
(WaterlooMaple Inc., Waterloo, Kanada) verwendet.
DasProgrammFITT zur Quantizierungvon 1
H-Spektren [Sohe98a,Youn98a,
Youn98b] (Kap. 3.5.2) und dieRoutinenzur Auswertung vonSpektren mit dem
LPSVD-Algorithmus(Kap. 3.5.4)wurden mitIDL
(Interactive Data Language,
Research Systems, Boulder, USA) entwickelt.
Für die Entwicklung des Programms zur Bestimmung der Gewebebeanteile in
MRSI-Voxeln (Kap. 3.6) wurdeMATLAB
(TheMathworks Inc., Natick, USA)
verwendet.
Konvertierungsroutinen(Siemens-Format!MATLAB-Formatbzw.IDL-Format)
sowie die GAMMA-Simulationen (Kap.3.7) wurden mitGNU-C++(Freie
Soft-ware) und Microsoft VisualC++ 6.0(Microsoft, Seattle,USA) kompeliert.
3.3 Phantome
FürdiePhantommessungenwurdedieinAbb.3.4gezeigteAnordnungverwendet.
Innerhalb einer mit Wasser gefüllten Flasche mit Volumen von 2 l wurde eine