Gradientenspule

In einem MRT-System werden die Kernspins, vor allem die Protonen des Wasserstoffs, zunächst durch das homogene Hauptmagnetfeld ausgerichtet. Nach Anregung durch Hochfrequenzimpulse senden sie ein messbares MR-Signal aus. Damit dieses Signal einem bestimmten Ort im Körper zugeordnet werden kann, werden Magnetfeldgradienten angelegt.

Das Prinzip wurde Anfang der 1970er-Jahre im Zusammenhang mit der Entwicklung der bildgebenden Kernspinresonanz beschrieben.^[1] Durch einen Magnetfeldgradienten variiert die Larmorfrequenz der Spins abhängig von ihrer Position. Aus diesen Ortsinformationen kann mithilfe mathematischer Rekonstruktionsverfahren, insbesondere der Fourier-Transformation, ein zwei- oder dreidimensionales Bild erzeugt werden.

Aufbau

Ein klinischer MRT-Scanner besitzt in der Regel drei orthogonal angeordnete Gradientenspulen. Sie erzeugen Magnetfeldgradienten entlang der drei Raumachsen:

• G_x: Gradient entlang der x-Achse
• G_y: Gradient entlang der y-Achse
• G_z: Gradient entlang der z-Achse

Dabei wird vor allem die z-Komponente des Magnetfelds gezielt räumlich verändert. Die Spulen sind meist zylindrisch um den Untersuchungsraum angeordnet. Je nach Bauform können sie aus diskreten Leiterschleifen oder aus verteilten Leiterbahnen bestehen.

Gradientenspulen erzeugen ein zusätzliches Magnetfeld, dessen Stärke linear mit dem Ort zunimmt oder abnimmt. Dadurch ändern sich die Präzessionsfrequenzen der Spins abhängig von ihrer Position im Körper.

Die Gradientenspulen erfüllen drei Hauptaufgaben:

• Schichtselektion: Während eines Hochfrequenzimpulses wird ein Gradient angelegt. Dadurch können nur Spins in einer bestimmten Schicht die passende Resonanzfrequenz besitzen und angeregt werden.
• Frequenzkodierung: Während der Signalaufnahme wird ein Gradient angelegt. Spins an unterschiedlichen Orten präzedieren dadurch mit unterschiedlichen Frequenzen.
• Phasenkodierung: Ein kurzzeitig eingeschalteter Gradient erzeugt ortsabhängige Phasenverschiebungen der Spins. Diese Phaseninformationen werden später zur Bildrekonstruktion genutzt.

Gradientenspulen ermöglichen die räumliche Kodierung des MR-Signals und sind damit unverzichtbar für die MRT-Bildgebung. Ihre Leistungsfähigkeit beeinflusst Bildauflösung, Bildgeschwindigkeit und geometrische Genauigkeit. Besonders wichtig sind starke und schnell schaltende Gradientensysteme bei der Diffusionsbildgebung, funktionellen MRT, Perfusionsbildgebung und MR-Angiographie. Gleichzeitig haben Gradientenspulen Bedeutung für die Patientensicherheit und den Komfort, da schnelle Schaltvorgänge periphere Nervenstimulation und laute Klopfgeräusche verursachen können.

• Lemdiasov und Ludwig, A stream function method for gradient coil design, Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering: An Educational Journal, 2005