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Dr.-Ing. Martin Bruschewski

Statikgebäude Haus IV / Raum 113
MRI flow lab

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Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Magnetresonanztomographie (MRT)

Strömungsmessung im MRI flow lab
Strömungsmessung im MRI flow lab

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.

Allgemeines Messprinzip

Ausrichtung der Kernspins in einem äußeren Magnetfeld
Ausrichtung der Kernspins in einem äußeren Magnetfeld

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.

Geschwindigkeitsmessung

3D MRT-Geschwindigkeitsmessung in dem Modell eines Wärmetauschers (Bruschewski et al. 2016)
3D MRT-Geschwindigkeitsmessung in dem Modell eines Wärmetauschers (Bruschewski et al. 2016)
3D MRT-Geschwindigkeitsmessung in dem Modell eines Motors (Freudenhammer et al. 2014)
3D MRT-Geschwindigkeitsmessung in dem Modell eines Motors (Freudenhammer et al. 2014)

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.

Temperaturmessung

3D Temperatur- und Geschwindigkeitsmessung in dem Modell eines Wärmetauschers. (Buchenberg et al. 2016)
3D Temperatur- und Geschwindigkeitsmessung in dem Modell eines Wärmetauschers. (Buchenberg et al. 2016)

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.

Technische Merkmale

MAGNETOM Trio von Siemens

  • 3 Tesla Ganzkörper-MRT mit 600 mm Innendurchmesser
  • höchste Magnetfeldhomogenität in dieser Geräteklasse
  • 40 mT/m, 200 T/m/s Magnetfeldgradienten
  • große Auswahl an Sende-/Empfangsspulen mit bis zu 32 Kanälen
  • typische räumliche Auflösung: 1 mm x 1 mm x 1 mm

Strömungssystem

Das aktuell zur Verfügung stehende System besteht aus mehreren Wassertanks mit einer Kapazität von 1,0 m³ und mehreren Strömungskreisläufen mit Temperatur- und Volumenstromregelung. Mit diesem Aufbau können Reynolds-Zahlen zwischen 1.000 und 100.000 im untersuchten Model erreicht werden. Der Entwurf eines leistungsfähigeren Strömungssystems ist rechts dargestellt. Mit diesem System sollen vollständig turbulente Strömungsbedingungen bei einer Reynolds-Zahl von bis zu 1.000.000 realisiert werden.

Magnetresonanztomograph im Magentresonanztomographielabor
Magnetresonanztomograph im Magentresonanztomographielabor
Geplanter Wasserkanal im MRI flow lab
Geplanter Wasserkanal im MRI flow lab

Quellen

Bruschewski  M, Freudenhammer  D,  Piro MHA, Tropea  C and Grundmann S.
New insights into the flow inside CANDU fuel bundles using magnetic resonance velocimetry
Proc. Comp. Fluid Dyn. Nucl. React. Safety, Cambridge, USA (2016)

Freudenhammer  D, Baum E, Peterson B, Böhm B, Jung B, Grundmann S.
Volumetric intake flow measurements of an IC engine using magnetic resonance velocimetry
Exp Fluids 2014; 55(5):1724

Buchenberg  WB, Wassermann F, Grundmann S, Jung B, Simpson R.
Acquisition of 3D temperature distributions in fluid flow using proton resonance frequency thermometry
Magn Reson Med. 2016 ;76(1):145-55