Ermittlung der Wasserstoffdichte mit MRT

Wissenschaft Physik
1

Hallo,

folgendes Problem: Ich will versuchen mittels einer klinischen MRT die Wasserstoffdichte an einem bestimmten Ort im Patienten zu ermitteln. Mir geht es nicht darum, Gewebearten zu identifizieren, ausschließlich die Dichte an Wasserstoffatomen pro Volumeneinheit ist relevant.

So weit ich weiß funktioniert das am besten mit einer spin-density gewichteten MRT, d.h. TE klein, TR groß. Da es vermutlich nicht möglich ist, den Wert absolut zu messen, würde ich ihn relativ zu einem bekannten Wert messen, z.B. einem kleinen Wasserbehälter der entsprechend positioniert wird.

Meine Frage: Vermutlich weist der Fehler der ermittelten Dichte eine Ortsabhängigkeit auf. Gibt es Messungen oder Schätzungen für diesen Fehler? Ist es überhaupt möglich, mit diesem Verfahren die Wasserstoffdichte quantitativ halbwegs ordentlich zu bestimmen? Mit welchem Fehler muß generell gerechnet werden? Für denn Fall, dass Aussicht auf Erfolg besteht: Wie geht man bei der Messung am besten vor?

Mir geht es bei dieser Frage hauptsächlich darum, festzustellen, ob sowas generell möglich ist oder ob lediglich ein nicht-quantitatives Maß für die Wasserstoffdichte erhalten werden kann. Die Einschränkung auf klinische MRTs ist wichtig, es bringt mir nichts, wenn das mit einem kleinen Laborgerät funktioniert.

Danke,

Harald

2

Hossa :smile:

So weit ich weiß funktioniert das am besten
mit einer spin-density gewichteten MRT, d.h. TE klein,
TR groß.

Das MR-Signal wird maßgeblich von 2 Faktoren beeinflusst. Der eine ist die Stärke des anregenden HF-Pulses, mit dem die Kernspins senkrecht zum Hauptmagnetfeld orientiert werden. Der andere ist die lokale magnetische Umgebung der Protonen, wodurch die Geschwindigkeit beeinflusst wird, mit der die angeregten Kernspins sich wieder parallel zum Hauptmagnetfeld anordnen (relaxieren).

Die Relaxationszeit TR kannst du leider nicht groß beeinflussen. Sie gibt ja nur an, nach welcher Dauer sich die Stärke des anfänglichen MR-Signals auf den Faktor 1/e reduziert hat. Wichtig für deine Messung ist hingegen, dass die Echozeit TE sehr viel kleiner sein sollte als die Relaxationszeit TR:

TE \omega=-\gamma B

rotieren die Protonen in Fettgewebe dann mit einer anderen Frequenz als solche von Wasser.

Das Problem ist nun, dass die Ortsauflösung im Kernspin ja gerade dadurch erreicht wird, dass man dem Hauptmagnetfeld ein sog. Gradientenfeld überlagert, so dass das Magnetfeld mit dem Ort minimal variiert. Dadurch wird ein Zusammenhang zwischen Ort und Rotationsfrequenz geschaffen. Wenn du nun das Gesamtsignal misst, kannst du mit einer Fourier-Transformation heraus finden, wie viele Protonen mit welcher Frquenz rotieren bzw. an welchem Ort liegen.

Und weil Fett-Protonen schon nach der Anregung eine andere Rotationsfrequenz aufweisen als Wasser-Protonen, erscheinen sie räumlich gegenüber den Wasser-Protonen verschoben. Die Verschiebung beträgt bei einem 1,5 Tesla Magnetfeld etwa 3 bis 4cm und hängt linear von der Stärke des Hauptmagnetfelds ab.

Wichtig ist daher, dass du die Fett-Unterdrückungs-Pulse einschaltest. Diese wirken gezielt auf die Fett-Protonen und „drehen“ sie aus ihrer Lage parallel zum Hauptmagnetfeld raus. Der anschließende dicke HF-Puls, der auf alle Protonen wirkt, dreht dann die vorab ausgelenkten Fett-Protonen anit-parallel zum Magnetfeld, so dass diese keinen Beitrag mehr zum MR-Signal liefern.

Ist es überhaupt möglich, mit diesem Verfahren die
Wasserstoffdichte quantitativ halbwegs ordentlich zu
bestimmen?

Nicht exakt, denn der Anteil der Fett-Protonen geht nicht mit ein. Die oben genannte Frequenz-Verschiebung beim Fett hast du natürlich auch bei vielen anderen Substanzen. In der Regel ist deren Konzentration aber im Vergleich zum Wasser vernachlässigbar.