in diesem video zeige ich euch wie die magnetresonanztomographie funktioniert was der begriff kernspin eigentlich bedeutet und was es mit der längs- und der transversale magnetisierung auf sich hat [Musik] hallo und herzlich willkommen zu diesem video zum thema wie funktioniert eigentlich mrt ich versuche euch in diesem video die notwendigen grundlagen zu vermitteln die ihr braucht um zu verstehen wie solch faszinierende bilder entstehen mrt technik ist ziemlich komplex aber wir werden versuchen die komplexität ein bisschen runter zu kondensieren und uns auf die nötigste physik zu beschränken auf formeln werde ich bis auf eine aufnahme ganz verzichten wir werden uns jetzt der reihe nach angucken was passiert wenn wir eine patientin in einen mr tomographen legen denn eigentlich ist es ganz einfach die patientin wird in das mr gelegt es wird ein hochfrequenz impuls angestrahlt der hochfrequenz impuls wird wieder abgeschaltet die patientin sendet ein signal aus das von einer spule empfangen wird und das dann für die rekonstruktion des bildes verwendet wird ganz so einfach ist es aber natürlich leider nicht und ein kleines bisschen physik braucht es dann doch um zu verstehen was genau passiert wenn man einen patienten in das mr legt wichtig ist zu verstehen dass das mrt im gegensatz zum röntgen und ct ohne die verwendung von ionisierender strahlung auskommt und ausschließlich auf der wechselwirkung eines magnetfeldes und von radiofrequenz impulsen basiert und für die entdeckung des mrt es gab es wie könnte es auch anders sein 1952 auch ein nobelpreis für die herren bloch und purcell weil die ersten mr bilder dann erst in den 70er jahren entstanden sind ganz kurz nach vorne weg wie stark ist eigentlich das magnetfeld in so einem mrt die meisten von euch werden die bezeichnungen 1,5 t oder 3d schon mal gehört haben eine magnetfeldstärke von 3 tesla ist extrem stark und etwa 50.000 mal so hoch wie das magnetfeld der erde das entspricht etwa einem magneten der so stark ist dass ein auto anheben kann und weil dieses magnetfeld so extrem stark ist ist es nicht ganz ohne risiken dessen sollte man sich immer bewusst sein wenn man sich in die nähe eines mr demografen begibt denn achtung das magnetfeld se merten graphen ist immer an auch nach feierabend und auch wenn niemand vorne an der bedienen konsole irgendein knöpfchen gedrückt hat das heißt der magnet übt immer und zu jeder zeit eine enorme anziehungskraft auf alle magnetisiert waren objekte aus und diese können wenn sie den magneten zu nahe kommen zu tödlichen projektilen werden deshalb werde ich demnächst auch noch ein gesondertes video zu den risiken der mr tomographie machen abonniert also gerne den kanal und aktiviert die glocke um nichts mehr zu verpassen was passiert also jetzt wenn wir den patienten in sam erlegen die in der klinischen diagnostik überwiegend angewandte mr bildgebung basiert darauf dass der mensch zu circa 70 prozent aus wasser besteht und wasser wiederum besteht aus h2o im menschen befinden sich also sehr viel wasserstoff proton das proton verhält sich dabei wie ein kleiner planet der sich permanent um die eigene achse dreht deshalb sagt man auch es hat einen spin womit wir bei dem begriff kerns bin in kernspintomographie angekommen wären die positive elektrische ladung des protons dreht sich dabei permanent mit und eine sich bewegende elektrische ladung ist nichts anderes als ein elektrischer strom ein elektrischer strom wiederum induziert ein magnetisches feld ergo ist überall da wo ein elektrischer strom ist auch ein magnetisches feld das bedeutet dass ich jedes proton im prinzip wie ein winziger stabmagnet verhält die protonen liegen im magnetfeld jetzt aber nicht einfach nur rum sondern sie bewegen sich auf eine ganz bestimmte art und weise die ähnlich aussieht wie die bewegung eines kreisels das nennt man präzision oder auch la mora präzision die frequenz mit der sich das proton dreht nennt man präzisions frequenz oder larmore frequenz diese ist definiert als omega gleich gamal b achtung das ist die einzige formel in diesem video wobei omega deal am ohr frequenz ist gamma die guru magnetische konstante in megahertz protestler und b die stärke des magnetfeldes in tesla deshalb ist die lamme frequenz vor allem abhängig von der stärke des externen magnetfeldes bei 1,5 tesla beträgt sie zum beispiel 63,8 megahertz und bei 3 tesla 127 megahertz die lamme frequenz ist deshalb so wichtig weil sie diejenige frequenz bestimmt mit der 1 rf impuls angestrahlt werden muss um die protonen anzuregen resonanz zu erzeugen aber dazu später mehr solange es kein externes magnetisches feld gibt drehen sich diese kleinen stabmagneten in völlig zufällige richtungen weshalb die nettosumme dass durch den spin erzeugten magnetfeldes üblicherweise 0 ist die achsen der protonen zeigen also zufällig in alle möglichen richtungen bringt man diese protonen jetzt in ein externes magnetfeld also ein mrt gerät richten sich die kleinen stabmagneten entlang dieses externen magnetfeldes aus dieses externe magnetfeld verläuft in der längsrichtung des magneten das ist auch die längsrichtung der patienten liege im mr jetzt richten sich die protonen aber nicht alle in derselben richtung aus sondern entweder parallel zum externen magnetfeld oder anti parallel man kann sich das auch so vorstellen dass einige der protonen auf den händen und einige auf den füßen laufen wie man sich an dieser illustration schon vorstellen kann haben die beiden ausrichtungen unterschiedliche energie levels auf den händen zu laufen deshalb viel anstrengender als auf den füßen zumindest für die meisten menschen und genauso ist es mit den protonen im externen magnetfeld diejenigen die sich an die parallel ausrichten benötigen eine höhere energie als diejenigen die sich parallel ausrichten und genau weil es mehr energie braucht um auf den händen zu laufen ergo sich anti parallel zum magnetfeld auszurichten gibt es auch immer etwas mehr protonen die sich parallel ausrichten als an die parallel diese differenz ist extrem klein aber sie ist vorhanden und sie macht die netto magnetisierung aus mit der bei der mrt gearbeitet wird diese beschreibt man der einfachheit halber meist als sogenannte netto magnetisierung sektor m0 und dieser weist in die längsrichtung des magneten diese längsrichtung nennen wir auch z achse und die magnetisierung nennt man longitudinal magnetisierung und was heißt das jetzt für unsere patientinnen die wir ins mrt liegen das bedeutet nichts anderes als dass die patientinnen die aus vielen protonen und damit mini stabmagneten besteht selber zu einem magneten wird das heißt ihr eigenes magnetisches feld bekommt wir haben also ein netto magnetisierung sektor der in die richtung des externen magnetischen feldes also in richtung des patienten tisches zeigt und mit der präzisions frequenz um seine eigene achse kreist genau dieser sektor ist das was man benutzt um ein signal aus dem patienten zu bekommen leider ist es aber nicht ganz so trivial weil man die sehr geringe netto magnetisierung vor dem hintergrund des extrem starken externen magnetfeldes nicht einfach messen kann das ist wie bei sonne und sterne tagsüber kann man die sterne nicht sehen nicht weil sie nicht da wären sondern weil die sonne so hell scheint dass man sie nicht sehen kann genauso ist es mit unserem netto magnetisierung sektor und deshalb müssen wir die längs magnetisierung irgendwie stören oder aus lenken um sie dann messen zu können womit wir beim hochfrequenz impuls angekommen werden wir schicken also ein hochfrequenz oder auch radiofrequenz impuls rf puls in den patienten dieser kurze und starke elektromagnetische impuls soll die friedlich vor sich hin präsentierenden protonen aus dem gleichgewicht bringen und muss um das zu erreichen energie mit den protonen austauschen wie gelingt es jetzt dass der fc energie mit den protonen austauscht hierfür muss der rf puls dieselbe frequenz haben wir die protonen deren frequenzen durch di lammermoor gleichungen beschrieben wird nur dann ist ein energieaustausch möglich der rf impuls muss also sozusagen in resonanz mit den protonen sein und genau daher kommt das wort resonanz in magnetresonanztomographie was passiert jetzt wenn der rf puls angestrahlt wird und energie mit den protonen austauscht ein teil der protonen nimmt diese energie auffängt also quasi an auf den händen anstatt auf den füßen zu laufen dadurch gleichen sich die protonen die auf den händen laufen und die die auf den füßen laufen mehr aus als vorher ja noch mehr auf den füßen liefen das führt zu einer abnahme der längst magnetisierung es passiert aber auch noch etwas anderes der rf puls führt dazu dass die minimale unterschiedlich präsentierenden protonen synchronisiert werden man sagt dazu auch dass sie in phase sind hierdurch addieren sich die magnetisierung sektoren in einer anderen ebene auf und zwar in der transversale neben deshalb nennt man die entstehende magnetisierung auch transversale magnetisierung wir fassen also kurz zusammen beim ein strahlen eines rf pulses nimmt die längs magnetisierung ab und es entsteht eine neue transversale magnetisierung diese gleichzeitig stattfindenden prozesse werden üblicherweise so veranschaulicht dass der vector der längs magnetisierung b0 in die transversale ebene b xy gekippt wird der neue transversale magnetisierung sektor präsidiert jetzt genauso um seine eigene achse wie er es vor seiner auslenkung auch schon getan hat das wiederum induziert einen elektrischen strom der nun da die achse ja nicht mehr in die selbe richtung zeigt wie das externe magnetfeld von einer spule gemessen werden kann das ist unser mr signal das maß an transfers alma kritisieren dass auf diese art und weise erzeugt wird hängt sowohl von der amplitude als auch von der dauer des r&f impulses ab die vollständige quittung des netto magnetisierung sektors in die transversale ebene ist das ergebnis eine sogenannte 90° impulses aber dazu kommen wir noch wenn wir uns mit dem thema puls sequenzen beschäftigen was passiert nun wenn wir den rf puls der ja sehr kurz ist wieder abschalten wie alles im leben stirbt auch dass protonen system den zustand mit dem geringsten energieaufwand an und deshalb geht das system wieder in seinen ausgangszustand zurück das heißt es reagiert die neu aufgebaute transfer sei magnetisierung baut sich wieder ab und die protonen geraten zunehmend wie der außer phase das nennt man transversale relaxation oder auch t2 relaxation und die longitudinal magnetisierung baut sich wieder auf das nennt man longitudinal relaxation oder auch tee 1 alex aktion der wiederaufbau der longitudinal magnetisierung entsteht dabei dadurch dass die protonen energie mit ihrer umgebung austauschen genauer gesagt ihr zuviel an energie an die umgebung abgeben deshalb nennt man die t1 relaxation auch spin gitter relaxation wenn man den verlauf der längs magnetisierung nachdem ein strahlen 111 pulses gegen die zeit auf trägt erhält man die folgende kurve wir starten bei null prozent längst magnetisierung weil die ja komplett in die transversale ebene gekippt ist nach dem abschalten des impulses baut sich die längs magnetisierung jetzt schritt für schritt wieder auf sodass die sogenannte t1 kurve entsteht am ende sind wir wieder bei 100 prozent also unserem ausgangszustand vor einsenden des r&f impulses angekommen der terminus t1 beschreibt dabei eine konstante nämlich die zeit in millisekunden nach der sich 63 prozent der längs magnetisierung wieder erholt haben für den verlauf der transfer sei magnetisierung nachdem ein strahlen ein seriöses sieht das ganze folgendermaßen aus wir starten bei 100% transversale magnetisierung alle protonen sind in phase nach abschalten des r&f impulses fangen die protonen jetzt an zu debattieren wodurch sich die transversale magnetisierung schritt für schritt wieder abbaut wenn man das wieder gegen die zeit aufträgt entsteht die sogenannte t2 kurve und auch die t2 zeit ist wieder eine konstante nämlich beschreibt sie die zeit in millisekunden nach der die transfer soll magnetisierung um 63 prozent abgenommen hat wie man die t1 und t2 eigenschaften der verschiedenen gewebe jetzt nutzen kann um gewebe in der mrt zu differenzieren und was es mit dem begriff der t1 und t2 richtung auf sich hat das erzähle ich euch in einem anderen video was haben wir in diesem video jetzt alles gelernt fassen wir das noch mal kurz zusammen die mr tomographie arbeitet mit extrem starken magnetfeldern und der interaktion mit radiofrequenz impulsen es wird keine ionisierende strahlung verwendet wenn man die patientin in den mr tomographen legt richten sich ihre protonen entweder parallel oder anti parallel zum externen magnetfeld aus dabei laufen etwas mehr protonen auf den füßen als auf den händen es entsteht ein netto magnetisierung sektor um die magnetisierung im gewebe des patienten messen zu können muss das system gestört werden das geschieht über das ein strahlen eines radio frequenz oder hochfrequenz impulses dies führt zur energieaufnahme der protonen es fangen also mehr protonen an auf den händen und statt auf den füßen zu laufen die längst magnetisierung nimmt ab gleichzeitig werden die präsidieren protonen durch den hochfrequenz impuls in phase gebracht es entsteht eine neue transversale magnetisierung nach abschalten des r&f impulses geht das system wieder in seinen ruhezustand über die längs magnetisierung baut sich wieder auf was man als t1 relaxation bezeichnet und die transfer soll magnetisierung baut sich durch die definierung der protonen zeitgleich wieder ab was man als t2 relaxation bezeichnet das dabei entstehende signal wird gemessen und für die bild rekonstruktion verwendet und damit bedanke ich mich ganz herzlich fürs zuhören und seen und freue mich wenn wir uns im nächsten video wiedersehen [Musik]