Einführung in die MRT
Introduction to MRI

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein Schnittbildverfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur anatomischen Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im menschlichen Körper eingesetzt wird. Die MRT zeichnet sich durch hohe räumliche Detailauflösung und exzellenten Weichteilkontrast aus, wobei die Signalerzeugung durch eine Kombination aus starken Magnetfeldern und elektromagnetischen Hochfrequenz (HF)-Feldern erfolgt. In dieser Vorlesung für das 1. Semester wird eine umfassende Einführung zur MRT gegeben. Im Rahmen der Vorlesung werden die physikalischen Grundlagen und technische Ansätze dieser interdisziplinäreren Thematik vermittelt. In der zugehörigen Übung werden analytische Rechenaufgaben zu ausgewählten Kapiteln berechnet. Zudem werden numerische Simulationen im Zusammenhang mit den involvierten Magnetfeldern– insbesondere im Bereich der Hochfrequenzspulen durchgeführt.

Die Vorlesung beinhaltet die folgenden Themenstellungen. Ausgewählte Themen werden dann innerhalb der Übung weiter vertieft.
1. Einführung in die Magnetresonanztomographie (MRT)
2. MR-Physik, Signalerzeugung, Bildkontraste (Protonendichte, T1, T2)
3. Bildkodierung (Echo-Erzeugung, Rohdaten im k-Raum, Bildmatrix mittels FFT)
4. Grundlegende Sequenzen (Gradienten Echo, Spin Echo & Abwandlungen davon)
5. Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR)
6. Sicherheitsaspekte und Bildartefakte
7. Hauptmagnetfeld (B0): Supraleitung, Abschirmung, Quench
8. Gradienten-Felder und -Spulen
9. Hochfrequenz (HF)-Feld (B1): SAR, HF-Spulen: Sende-(Tx)/Empfangs-(Rx)-Spulen
10. Herausforderungen der 7-Tesla Hochfeld-MRT
11. Wanderwellen-MRT

Zum Abschluss des Kurses können die Studierenden im Rahmen einer Exkursion zum Erwin L. Hahn Institut für MR-Bildgebung, Zeche Zollverein in Essen, das dortige 7-Tesla Hochfeld-MRT und die zugehörigen Forschungsarbeiten näher kennenlernen.

Nach dem Besuch der Lehrveranstaltung sollen die Studierenden in der Lage sein:
• die physikalischen Grundlagen der MRT zu erläutern
• die Signalerzeugung, verschiedene Kontrastmechanismen, und Sequenzdiagramme zu erklären
• den prinzipiellen technischen Aufbau und die Funktion einzelner Systemkomponenten zu skizzieren
• grundlegende elektromagnetische Simulationen von HF-Spulen durchzuführen

Magnete, Spins und Resonanzen – Eine Einführung in die Grundlagen der Magnetresonanztomographie, Siemens AG, Medical Solutions, Bestellnr.: A91100-M2200-M705-1, 223 Seiten, http://www.healthcare.siemens.de

Magnete, Fluss und Artefakte – Grundlagen, Techniken und Anwendungen der Magnetresonanztomographie, Siemens AG, Medical Solutions, Druck-Nr. MR-07001.643.01.01.01, 149 Seiten, http://www.healthcare.siemens.de

Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, 2nd Edition, Robert W. Brown, Y.-C. Norman Cheng, E. Mark Haacke, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan
ISBN: 978-0-471-72085-0, 1008 Seiten, June 2014, Wiley-Blackwell

The Basics of MRI, Joseph P. Hornak, 2004, http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/

Electromagnetic Analysis and Design in Magnetic Resonance Imaging, Jianming Jin
ISBN: 9780849396939, 282 pages, 1998, CRC Press

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a tomographic imaging modality that is used in medical diagnostic imaging for anatomic display of structure and function of tissues and organs in the human body. MRI is characterized by high spatial resolution and excellent soft tissue contrast. The MRI signal is generated by a combination of strong magnetic fields and electromagnetic radiofrequency (RF) fields. This first semester lecture provides a comprehensive introduction into MRI. The physical basics and technical principles for this interdisciplinary topic will be discussed. In the accompanying exercises analytical calculations with regards to selected chapters will be performed. Furthermore, numeric simulations concerning the associated magnetic fields, especially RF fields of signal transmitting/receiving RF coils will be executed.

The lecture includes the following topics. Selected chapters will be deepened in the exercises.
1. Introduction into magnetic resonance imaging (MRI)
2. MR physics, signal generation, image contrasts (proton density, T1, T2)
3. Image encoding (echo forming, raw data in k-space, image matrix via FFT)
4. Basic imaging sequences (gradient echo, spin echo & derivates)
5. Signal-to-noise-ratio (SNR)
6. Safety aspects and image artifacts
7. Main magnetic field (B0): superconductivity, shielding, quench
8. Gradient fields and gradient coils
9. Radiofrequency (RF) field (B1): SAR, RF coils: transmit(Tx)/receive(Rx) coils
10. Challenges in 7 Tesla high-field MRI
11. Traveling wave MRI

At the end of the course students will have the opportunity to visit the Erwin L. Hahn Institute for MRI, Zeche Zollverein, Essen, which hosts a 7 Tesla high-field MRI system and to become acquainted with current research topics.

Based on this course, students shall be capable:
• to explain the physical basics of MRI
• to explain signal generation, various contrast mechanisms, and sequence diagrams
• to reproduce the principal technical design and function of single system components
• to perform basic electromagnetic simulations of RF coils

Magnete, Spins und Resonanzen – Eine Einführung in die Grundlagen der Magnetresonanztomographie, Siemens AG, Medical Solutions, Bestellnr.: A91100-M2200-M705-1, 223 Seiten, http://www.healthcare.siemens.de

Magnete, Fluss und Artefakte – Grundlagen, Techniken und Anwendungen der Magnetresonanztomographie, Siemens AG, Medical Solutions, Druck-Nr. MR-07001.643.01.01.01, 149 Seiten, http://www.healthcare.siemens.de

Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, 2nd Edition, Robert W. Brown, Y.-C. Norman Cheng, E. Mark Haacke, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan
ISBN: 978-0-471-72085-0, 1008 Seiten, June 2014, Wiley-Blackwell

The Basics of MRI, Joseph P. Hornak, 2004, http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/

Electromagnetic Analysis and Design in Magnetic Resonance Imaging, Jianming Jin
ISBN: 9780849396939, 282 pages, 1998, CRC Press