Die Magnetresonanztomographie ist ein aus der Medizin bekanntes, bildgebendes Diagnose-Verfahren, welches unter anderem die zwei- und dreidimensionale Erfassung von Geschwindigkeits- und Temperaturfeldern ermöglicht. In der Regel wird dabei Wasser als Fluid verwendet, jedoch sind auch Messungen in anderen Flüssigkeiten und Gasen möglich.

Zwar können zum jetzigen Standpunkt noch nicht die gleichen Auflösungen wie in den üblichen Messverfahren (PIV, LDA etc.) erreicht werden, allerdings kommt dieses Verfahren ganz ohne optischen Zugang und zusätzliche Partikel oder Sensoren in der Strömung aus. Des Weiteren können mit dieser Methode innerhalb nur weniger Stunden Millionen von Temperatur- und Geschwindigkeitsmesspunkten erfasst werden. Wo zuvor meist nur numerische Methoden zu Verfügung standen, können mit dieser Messtechnik – insbesondere in Kombination mit Rapid-Prototyping oder Additive-Manufacturing-Methoden – vergleichsweise schnell und kostengünstig experimentelle Daten erzeugt werden.

Die Magnetresonanztomographie beruht auf dem Verhalten des Kernspins von Atomkernen in einem äußeren Magnetfeld. Voraussetzung ist ein Kernspin ungleich Null. Am häufigsten wird der im Wasser enthaltende Wasserstoffkern (1H) zur Untersuchung genutzt. Es können aber auch andere Atomkerne wie 13C, 19F, 23Na, 129Xe und viele anderen zur MR-Bildgebung genutzt werden.

Die Kernspins richten sich entlang des äußeren Magnetfeldes aus und präzedieren mit einer von der Magnetfeldstärke abhängigen Frequenz. Ihre magnetischen Momente bauen eine gemeinsame, longitudinale Magnetisierung auf, die durch die Anregung mit einem elektromagnetischen Impuls in die transversale Ebene gekippt wird. Durch die Präzession des Magnetisierungsvektors in der transversalen Ebene wird in den Empfängerspulen eine Spannung induziert.

Das so erzeugte Signal ist allerdings nicht ortsabhängig. Um eine räumlich Auflösung zu erhalten, werden Magnetfeldgradienten eingesetzt, die über eine Schicht-, Frequenz- und Phasenkodierung ortsabhängige Frequenzen erzeugen. Die Abfolge der geschalteten Gradienten und Anregungsimpulse wird als Messsequenz bezeichnet.

Das Frequenzspektrum des resultierenden MR-Signales wird im k-Raum aufgetragen. Durch eine inverse zwei- oder dreidimensionale Fourier-Transformation entsteht daraus das resultierende MRT-Bild. Mit diesem Verfahren können in modernen Ganzkörper-Magnetresonanztomographen dreidimensionale Bilder mit einer Kantenlänge von mehreren 100 mm und einer Auflösung von weniger als 1 mm aufgenommen werden.

Das Verfahren der Geschwindigkeitsmessung mittels MRT wird allgemein als Phasenkontrast-MRT bezeichnet. Das Ergebnis einer solchen Messung ist ein komplexes Bild in dessen Phase die Geschwindigkeitsinformationen kodiert sind.

Grundlegendes Prinzip dieser Messung sind die Phasenunterschiede, die durch die unterschiedlich schnelle Bewegung der Fluidteilchen durch das Magnetfeld während des Wirkens eines Gradienten entstehen. Die entsprechenden Messsequenzen nutzen biopolare Gradienten, bei denen zwei betragsgleich aber entgegengesetzte Gradienten nacheinander wirken. Gleichzeitig erfolgt die Ortskodierung, sodass das resultierende Signal Information über die ortsabhängigen Geschwindigkeiten enthält.

Mit diesem Verfahren können Geschwindigkeitsvektoren in Strömungen akkurat und schnell gemessen werden. Bei modernen Ganzkörper-Magnetresonanztomographen liegt der messbare Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen wenigen Zentimetern bis mehrerer Metern pro Sekunde.

Gleich mehrere Parameter der Magnetresonanztomographie sind temperaturabhängig. Dazu gehören unter anderem:

• Protonen-Resonanz-Frequenz
• Relaxationszeiten
• Diffusionskoeffizient
• Suszeptibilität

Daraus ergeben sich verschiedene Möglichkeiten zur Messung von Temperaturfeldern. Die gängigste Methode basiert auf der temperaturabhängigen Änderung der Protonen-Resonanz-Frequenz in Wasser. Wie auch bei der Geschwindigkeitsmessung sind bei diesem Verfahren die Informationen über die Temperaturverteilung in der Phase des resultierenden Bildes kodiert. Mit diesem Verfahren können dreidimensional Temperaturfelder mit Temperaturunterschieden kleiner als 1 Kelvin gemessen werden.