Grundlagen der NMR-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen

Grundlagen der NMR-Tomographie Grundlagen der NMR-Tomographie

und und

biomedizinische + materialwiss. biomedizinische + materialwiss.

Anwendungen Anwendungen Wolfgang Dreher

Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)Universität Bremen

WS 2011/2012

■■■ Gliederung

WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der NMR-Tomographie (Ringvorlesung Analytik)

Grundlagen und AnwendungenGrundlagen und Anwendungender NMR-Tomographieder NMR-Tomographie

1. NMR-Effekt und NMR-Spektroskopie

2. Erfindung und Grundprinzip der NMR-Tomographie

3. Kontrastmechanismen und Anwendungebereiche der NMR-Tomographie

4. Quantitative Fluss- und Diffusions-Messungen mittels MRI

5. Nicht-medizinische NMR-Tomographie

6. Räumliche und zeitliche Auflösung

7. NMR-Tomographen an der Universität Bremen

8. Zusammenfassung

■■■ Literatur

Grundlagen und AnwendungenGrundlagen und Anwendungender NMR-Tomographieder NMR-Tomographie

Literatur: H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Verfahren für die

medizinische Diagnostik, Publicis, 1995.

A. Oppelt (Ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, 2005.

Hashemi, Bradley, Lisani: MRI. The Basics, Wolters Kluwe & Lippincott, 2010.

S. Stapf, S.-I. Han (Hrsg.):NMR Imaging in Chemical Engineering, Wiley, 2005.

I. Koptyuk (Hrsg.): The Frontiers of Nonmedical MRI (vol.32(1-2) of „Applied Magnetic Resonance“, 2007.

■■■ Einführung

„„Tomographie“Tomographie“

Duden: altgriechisch: – τομή (tome): „Schnitt“– γράφειν (graphein): „schreiben“

„Schnittbildverfahren“– Messung von Schnittbilder (S1, S2, …)

statt einfacher Projektionen P

Vielzahl der tomographischen Verfahren:

– physikal. Grundprinzip– spezielle Messverfahren

Graphik aus wikipedia.orgGraphik aus wikipedia.org

■■■ Einführung

Tomographische VerfahrenTomographische Verfahren

Tomographie-Verfahren Physik. GrundlageNMR-T. (MRT, MRI) NMR-Signal

Röntgen-Computer-T. (X-CT) Schwächung von Röntgenstrahlen

Positronen-Emissions-T. (PET) Messung von je 2 -Quanten bei Annihilation von Positronen

Einzel-Photonen-Emissions-Computer-Tomographie (SPECT)

Messung von -Quanten, die von Radionukliden emittiert werden

Sonographie (Ultraschalldiagnostik) Reflexion und Transmission von Ultraschall (typ. 1-40 MHz)

… …

MRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische AnwendungsbereicheMRI + X-CT: medizinische und nicht-medizinische Anwendungsbereiche

■■■ NMR-Effekt

Der NMR-EffektDer NMR-Effekt

1945/46: Entdeckung des NMR- Effektes („nuclear magnetic resonance“)

E. Purcell et al.

(1912-1997)

F. Bloch et al.

(1905-1983)

Nobelpreis für Physik 1952

Atomkerne können Kernspin (Eigendrehimpuls) besitzen (Quantenzahl I )

in statischem Magnetfeld B0||z: „Zeeman-Effekt“: lz=m.(h/2) mit m=-I, I+1, ..., I

magn. Moment: ( ... gyromagn. Verhältnis)

diskrete Energieniveaus:

Grundgleichung:

0B)2/h(E

000 B2

Besetzung der Energieniveaus gemäß der Boltzmann-Statistik

Herausbildung einer makroskopischen Kernmagnetisierung

(im Gleichg.)

Blochsche Gleichung für die zeitliche Entwicklung der makroskopischen Kernmagnetisierung

z||M 0

MM]BM[dt/)t(Md

10 BBB

... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 00))1B

Blochsche Gleichung 1

MM]BM[dt/)t(Md

10 BBB

... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit ... HF-Magnetfeld in x-y-Ebene (präzediert mit 00))1B

TT11 ... Spin-Gitter-Relaxationszeit ... Spin-Gitter-Relaxationszeit

(longitudinale Relaxation)(longitudinale Relaxation)

TT22 ... Spin-Spin-Relaxationszeit ... Spin-Spin-Relaxationszeit

(transversale Relaxation)(transversale Relaxation)

stets: Tstets: T22 ≤≤ T T11

Bereits Hinweis aus Kontrastvielfalt der NMR-Tomographie !

wichtige NMR-aktive Kernewichtige NMR-aktive Kerne

NMR-Tomographie („magnetic resonance imaging“, „MRI“) NMR-Tomographie („magnetic resonance imaging“, „MRI“) nutzt vor allem die Protonen (nutzt vor allem die Protonen (11H) des WassersH) des Wassers

SRV ~ SRV ~ 3.3.BB00xx (x=1 ... 7/4) (x=1 ... 7/4)

■■■ NMR-Spektroskopie

NMR-SpektroskopieNMR-Spektroskopie

1945/46: NMR-Effekt

1950: Entdeckung der „chemischen Verschiebung“ („chemical shift“):

)1(B2 000

... Abschirmungskonstante

... beschreibt die Abschirmung des äußeren Magnetfeldes durch die den Kern umgebenden Elektronen

... ist spezifisch für bestimmte Molekülgruppen und damit die chemischen Bindungen

1952: Entdeckung der J-Kopplung (Spin-Spin-WW über chem. Bind.)

• Aufspaltung der Resonanzlinien in Multipletts

• charakteristisch für Art der Molekülgruppe

■■■ NMR-Spektroskopie

NMR-SpektroskopieNMR-Spektroskopie

seit 60iger Jh.: eine der wichtigsten Methoden der chem. Analytik

zunehmend wichtig für Biochemie / Biomedizin:

Bioflüssigkeiten

„in-vivo-NMR-Spektroskopie“ am lebenden Organismus

1H-MRS: Gehirn eines gesundenProbanden bei 7T, TE=6ms, TM=32ms, TR=5s,NA=160, Voxel: 8 ml (Fig.3 aus I. Tkac et al., MRM 46, 451-456(2001).)

■■■ NMR-Tomographie

Der NMR-TomographieDer NMR-Tomographie

1973: P. C. Lauterbur (1929-2007):NMR-Tomographie als Projektions-Rekonstruktions-Verfahren („NMR zeugmatography“)

1971: R. Damadian (*1936):T1-Unterschiede für Wassersignale von gesunden Zellen und Tumor-Zellen (Messverfahren: „FONAR“)

1973: P. Mansfield (*1933): NMR-Tomographie als „NMR diffraction“

Nobelpreis

für Medizin

Der NMR-TomographieDer NMR-Tomographie

primär: 1H-NMR des Wassersignals (ein Singulettsignal !)

Einsatz von zusätzlichen Magnetfeld- Gradienten („B0-Gradienten“)

000 B2

)rGB()r(2)r( 000

Lauterbur: Projektions-Rekonstruktions-Verfahren mittels Np Messungen mit Np Gradientenrichtungen

B()G,G,G(G z0z0z0

MRI mittels Projektion-RekonstruktionMRI mittels Projektion-Rekonstruktion

gefilterte Rückprojektion

Gefilterte Rückprojektion für ein simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°)

simuliertes Phantom

100100 5050 7575

NMR-Spektrometer / TomographNMR-Spektrometer / Tomograph

Messsignal:

präzedierende Kernmagnetisierung induziert Wechselspannung in Empfangsspule

Signalverarbeitung:

Fourier-transformation (FT) ergibt die Frequenz- und Amplituden-verteilung der Signalbeiträge

nicht-magnetische Proben messbar !

LokalisierungsprinzipienLokalisierungsprinzipien

1. B0-Gradient während der Signaldetektion („Frequenzkodierung“)

2. B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signaldetektion („Phasenkodierung“)

3. B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“)

4. Vielkanal-HF-Spulen („array coils“)

4. Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) d)(Gk

4. Vielkanal-HF-Spulen („array coils“) d)(Gkt

spin warp imaging

„parallele Verfahren“

Reco mittels 2D-FT

3. B0-Gradient während der HF-Anregung bzw. der HF-Pulse („räumlich selektive Anregung“, „Schichtselektion“)

)rGB()2/()r( 00

frequenzselektive HF-Pulse (z.B. durch Amplituden-

modulation)

Schichtselektive 2D-MRI-MessungSchichtselektive 2D-MRI-Messung

1. B0-Gradient während der Signaldetektion(„Frequenzkodierung“)

2. B0-Gradient während der HF-Pulse(„räumlich selekt. Anregung“)

3. B0-Gradienten zwischen HF-Anregung und Signal-detektion („Phasenkodierung“)

k-Raum-Daten und NMR-Bildk-Raum-Daten und NMR-Bild

2D-FT2D-FT

d)(Gkt

3D: s(k3D: s(kxx,k,kyy,k,kzz) 3D-Bild) 3D-Bild3D-FT3D-FT

■■■ NMR-Kontraste

NMR-Kontrastmechanismen (I)NMR-Kontrastmechanismen (I)

1. Spindichte ( Wassergehalt)

2. T1-Relaxationszeit

3. T2-Relaxationszeit

T1-gewichtetes Bild T2-gewichtetes Bild-gewichtetes Bild

Blochgleichung !Blochgleichung !

NMR-Kontrastmechanismen (II)NMR-Kontrastmechanismen (II)

4. Magnetisierungstransfer

• Wechselwirkung der Wasserprotonen mit Makromolekülen

• Sättigungstransferzwischen Spinreservoirs

• Detektion von Multipler Sklerose oder Demenzerkrankungen

• Kontrastverstärkung für Angiographie (Gefäßdarstellung)

NMR-Kontrastmechanismen (III)NMR-Kontrastmechanismen (III)

5. T2*-Relaxationszeit:

fMRI: aktivierte Areale über anatomischem MR-Bild

TTT Magnetfeld-Magnetfeld-

inhomogenitäteninhomogenitäten

funktionelle Bildgebung (fMRI): mittelbaren Detektion von Gehirnaktivitäten

Gradientenecho-Sequenz:

Oxy-Hämoglobin: diamagnetischDeoxy-Hämoglobin: paramagnetisch

)/exp()( *20 TTEsTEs

NMR-Kontrastmechanismen (IV)NMR-Kontrastmechanismen (IV)

6. Flussgeschwindigkeit (Medizin: Angiographie / Gefäßdarstellung)

7. Diffusion (Selbstdiffusion des Wassers, „DWI“)

8. Perfusion (Gewebedurchblutung)

NMR-Angiogramm

diffusions-diffusions-gewichtetegewichteteBilderBilder

perfusions-perfusions-gewichtetegewichteteBilderBilder

■■■ Fluss-MRI

Fluss-MRIFluss-MRI

Wie sind fließende von ruhenden Spins zu unterscheiden ?

Wie kann die Flussgeschwindigkeit (vektoriell) ortsaufgelöst (und nicht-invasiv !) gemessen werden ?

NMR-Angiogramm (Gehirn) NMR-Angiogramm (Abdomen)

■■■ Fluss-MRI

Fluss-MRI: Flugzeit-VerfahrenFluss-MRI: Flugzeit-Verfahren

einfache Implementierung

Standard-Auswertung

senkrechter Fluss zur Schichtrichtung

selektiv für bestimmte Geschwindigkeits-Intervalle

■■■ Fluss-MRI

Fluss-MRI: Phasenkodier-VerfahrenFluss-MRI: Phasenkodier-Verfahren

Messung 1: ohne Kodiergradienten

In jedem Voxel: Signal mit Phase

Messung 2: mit Kodiergradienten ()

geschwindigkeitsabh. Phasenänderung

1f1 zG

2f2 zG

Zusatzphase #1Zusatzphase #1

Zusatzphase #2Zusatzphase #2

#1 + #2#1 + #2 )zz(G 12f12

)()( 00 zGBz z

d)(zGtB)t( z

180°-Puls180°-Puls 1

■■■ Fluss-MRI

DifferenzphaseDifferenzphase )( 1212 zzG f

Geschwindigkeit vGeschwindigkeit vzz (G (Gff=G=Gzz):):

■■■ Fluss-MRI

4 Messungen–Messung 1: Gf=0

–Messung 2: Gf=Gz

–Messung 3: Gf=Gx

–Messung 4: Gf=Gy

In jedem Voxel: Messung der vektoriellen Geschwindigkeit

3D-Darstellung des Flussverhaltens ...

)v,v,v(v zyx Eindeutigkeit der Geschwindig-

keitswerte durch geeignete Parameter (,,Gf)

Grenzen der Ortsauflösung: SRV Grenzen der Zeitauflösung: T1, T2

■■■ Fluss-MRI

Fluss-MRI: medizinische AnwendungenFluss-MRI: medizinische Anwendungen

aus: A. Harloff et al., Magn.Reson.Med. 61, 65-74(2009).

■■■ Fluss-MRI

Fluss-MRI: nicht-medizinische AnwendungenFluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen

■■■ Fluss-MRI

Fluss-MRI: nicht-medizinische AnwendungenFluss-MRI: nicht-medizinische Anwendungen

aus: Sederman et al., J. Magn. Reson. 166, 182-189(2004).

Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung

■■■ DWI

Diffusions-MRIDiffusions-MRI

Selbstdiffusion des Wassers

Diffusionskoeffizient D Diffusionszeit D

Einstein-Relation:

Ddim12 D2r

1965: Stejskal/Tanner-Experiment für das j-te diffundierende Teilchen:

ohne Diff.gradient (GD=0): S(TE)=s(2)=S0

GD>0: S(TE)=s(2)=S0.exp(-b.D) mit b=2.GD

2.2.(-/3)

dt)t(zGd jDj

■■■ DWI

isotrope Diffusion: D aus Plot S(b) vs. b

freie, behinderte,beschränkte Diffusion

medizin. Anwendung: Diagnose bei SchlaganfallADC (apparent diffusion coefficient)

sinkt um 20-40 % !

Schlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. ZeitSchlaganfallmodel, Rattengehirn: ADC vs. Zeit

Patient mit Schlaganfall: Patient mit Schlaganfall: diffusionsgew. Signaldiffusionsgew. Signal

■■■ DWI

Für anisotrope Diffusion: „Diffusion-Tensor-Imaging“ (DTI):

–mindestens 7 Messungen zur Bestimmung des Diffusionstensors

■■■ DWI

Diffusions-Tensor-MRIDiffusions-Tensor-MRI

Maß für Anisotropie:

(„fractional anisotropy“)

Anwendung: Darstellung von Nervenfasern („MR-Traktographie“)

aus: B.J. Jallison et al.,AJNR 25, 356-369(2004).

mit 0 mit 0 ≤≤ FA FA ≤ 1≤ 1

NMR-Kontrastmechanismen (IV)NMR-Kontrastmechanismen (IV)

9. Temperatur

10. Druck (mittels Kontrastmitteln)

11. Elastizität

12. ...

■■■ nicht-mediz. MRI

Nicht-medizinische NMR-TomographieNicht-medizinische NMR-Tomographie

Volume 32, Numbers 1-2 / August 2007 „The Frontiers of Nonmedical MRI“

–catalytic and biofilm reactors–fuel cells and microfluidic devices–polymers–drug delivery systems–gas hydrates and rocks–building material and coating–objects of cultural heritage–plants and foods–…

Stapf, Siegfried / Han, Song-I (Hrsg.):

NMR Imaging in Chemical Engineering

Wiley, 2005.

1. HARDWARE AND METHODS

2. POROUS MATERIALS–Diffusion in zeolites–Fluid distribution and dynamics in filter media–Multiscale approach to catalyst design–MRI methods for concrete building materials–Gas adsorption in porous materials–NMR applications in petroleum reservoir studies–Pore size measurements using internal magnetic

field in porous media

Wiley, 2005.

3. FLUIDS AND FLOW–Modeling Fluid Flow in Porous Media–Magnetic resonance imaging viscometer–Imaging complex fluids in complex geometries–Quantitative visualization of Taylor-Couette-Poiseuille

flows with MRI–Two phase flow of emulsions–Fluid flow and trans-membrane exchange in a

hemodialyzer module–NMR for food quality control –NMR of granular matter

Wiley, 2005.

4. REACTORS AND REACTIONS

–Magnetic resonance microscopy of biofilm and bioreactor transport

–Two-phase flow in trickle bed reactors–In-situ monitoring of gas dynamics in

combustion processes–In-situ monitoring of catalyzed reactions by NMR

and MRI–In-situ reaction monitoring in fixed-bed reactors

■■■ remote NMR

Remote NMRRemote NMR

Das Messobjekt wird nicht in einen Magneten gebracht, sondern Magnet + HF-Spule werden an oder auf die Probe gelegt !

■■■ remote NMR

Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)Remote NMR: „NMR Mouse“ (RWTH Aachen)

MRI: Beispiele für nicht-medizinische AnwendungenMRI: Beispiele für nicht-medizinische Anwendungen

F. Marica et al., „Determination of spatially-resolved porosity, tracer distributions and diffusion coefficients in porous media using MRI measurements and numerical simulations“,Journal of Contaminant Hydrology, 2011.

J. Große et al.,„Volume Image Analysis of Ceramic Sponges“,Chem. Eng. Technol. 2008, 31, No. 2, 307–314.

■■■ MRI: Auflösung

MRI: räumliche AuflösungMRI: räumliche Auflösung

Fragestellung / Messprobe:

notw. SRV in Voxel ?

Probengröße ?

–=> Matrixgröße

–=> HF-Spule (Signalempfang)

Kern ? (1H bevorzugt)

Konzentration / Spindichte

Relaxationszeiten T1, T2, T2*

Fluss / (Selbst-)Diffusion

verfügbare Hardware:

B0 (=> SRV)

HF-Spule(n)

–Empfang: SRV

–Sende: min. Pulslängen

Gradienten

–max. Stärke

–max. Schaltrate

MRI: zeitliche AuflösungMRI: zeitliche Auflösung

Fragestellung / Messprobe:

Räumliche Auflösung ?

–1D, 2D oder 3D

–Matrixgröße

Eigenschaften der Messsequenz

–Gradientenecho vs. Spinecho

–Einfachecho vs. Mehrfachecho

–Wiederholzeit TR (Abstand zwischen Teilmessungen)

verfügbare Hardware:

B0 (=> SRV)

HF-Spule(n)

–Empfang: SRV, Vielkanal-

spulen

–Sende: min. Pulslängen

Gradienten

–max. Stärke

–max. Schaltrate

MRI: typische Auflösung (MRI: typische Auflösung (11H, Wasser)H, Wasser)

räumlich: „Ganzkörper-NMR-

Tomogr.“:

0.5 – 5 mm „Tier-NMR-Tomogr.“:

50 m – 1 mm optimierte Systeme

–Hochfeld

–Spezial-HF-Spulen

–Spezial-Gradienten

10 m – 100 m

zeitlich:

2D: 10 ms – … min.

3D: … s - … h

■■■ NMR-Tomographen

NMR-Tomographen an der Univ. BremenNMR-Tomographen an der Univ. Bremen

7T-Biospec (Bruker, 2008)

„Tierscanner“

z.Z. Gradienten: max. 400 mT/m, Schaltzeit: 100 s

HF-Spulen mit d= 72 mm und Spezialspulen

methodische Entwicklungen

–In-vivo-Spektroskopie

–Schnelle MRI

–Diffusions-MRI

in-vivo-Messungen an Nagern

1H- und X-Kerne

■■■ MRI bei 7T

7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen7-Tesla-NMR-Tomograph an der Univ. Bremen

MRI: Gehirn

Mehrschicht-RARE-Bilder des Rattengehirns:TR=5000 ms, 8 Echos, 16 ms Echoabstand, 125x125x500 m3 Voxel, 10:40 min Messzeit.

MRI an Pflanzen

Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE)Mehrschicht-MRI am Rattengehirn (RARE)

7-Tesla-NMR-Tomographen an der Univ. Bremen7-Tesla-NMR-Tomographen an der Univ. Bremen

MRI: Abdomen

Intragate-Flash-Cine-Messung des Rattenherzens (10 Bilder pro Herzzyklus).

koronale 1-mm-Schicht durch Rattenabdomen(Mehrschicht-FLASH-MRI mit Atmungstriggerung).

Pancreas der Ratte

Messung am schlagenden Rattenherz Messung am schlagenden Rattenherz (10 Phasen, Intragate-Technik)(10 Phasen, Intragate-Technik)

■■■ MRS bei 7T

11H-MR-Spektroskopie am Rattengehirn:H-MR-Spektroskopie am Rattengehirn:PRESS (TE=10 ms, ohne Wasserunterdrückung)PRESS (TE=10 ms, ohne Wasserunterdrückung)

3T-Allegra (Siemens, 03-Jan.12)

„Kopfscanner“

z.Z. Gradienten: max. 40 mT/m, Schaltrate: 400 mT/m/ms

HF-Spulen mit d~ 250 mm

primär: fMRI-Messungen

methodische Entwicklungen (Spektroskopie)

bisher keine „nicht-in-vivo-Messungen“

nur 1H

7T-Biospec (Bruker, 2008) „Tierscanner“ Gradienten: max. 400 mT/m,

Schaltrate: 4000 mT/m/ms

methodische Entwicklungen–In-vivo-Spektroskopie–Schnelle MRI–Diffusions-MRI

in-vivo-Messungen an Nagern seit 2010: Material-

untersuchungen

1H- und X-Kerne

3T-Skyra (Siemens, 2011-)

„Ganzkörper-Scanner“

Koop. Fhg MeVis - Uni HB

z.Z. Gradienten: max. 40 mT/m, Schaltrate: 200 mT/m/ms

zahlreiche Vielkanal-HF-Spulen

Uni HB:

–primär: fMRI-Messungen

–methodische Entwicklungen(Spektroskopie)

1H, ab 2012/13: auch X-Kerne

7T-Biospec (Bruker, 2008) „Tierscanner“ Gradienten: max. 400 mT/m,

Schaltrate: 4000 mT/m/ms

methodische Entwicklungen–In-vivo-Spektroskopie–Schnelle MRI–Diffusions-MRI

in-vivo-Messungen an Nagern seit 2010: Material-

untersuchungen

1H- und X-Kerne

■■■ Zusammenfassung

ZusammenfassungZusammenfassung

NMR-Tomographie: nicht-invasive Bildgebung

primär: medizinische Diagnostik und biomedizinische Forschung (ohne Gesundheitsgefährdung !)

zahlreiche Kontrastmechanismen

2D-MRI: beliebige Schichtrichtungen

3D-MRI

Trend zu höheren B0-Feldern und damit höherem SRV bzw. höherer Ortsauflösung

zunehmend auch nicht-medizinische Anwendungen (Materialforschung)

Grundlagen der NMR-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen

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