MRT - Präzession und Signalmessung

Aiber · Anmeldungsdatum: 26.03.2011 Beiträge: 2

Meine Frage:
Ich bin Schüler der 13. Klasse und halte im Zuge meiner Abiturprüfung einen etwas längeren Fachvortrag über die Funktionsweise der Magnetresonanztomografie.

Frage 1:
In den meisten Quellen wird die Signalentstehung bei der MRT folgendermaßen erklärt:
Die Longitudinalmagnetisierung wird durch einen geeigneten RF-Impuls ganz oder teilweise in die Transversalrichtung gekippt. Diese Transversalmagnetisierung kreist/präzediert nun in der XY-Ebene und induziert einen Strom in einer Empfangsspule, ähnlich einem elektrischen Generator.

Andere Quellen (z.B. die offizielle Seite des Nobelpreiskomitees) sprechen von Radiowellen, die ausgesendet werden. Diese werden dann detektiert und ergeben das MR-Signal.

Auf den ersten Blick scheinen diese Angaben für mich wiedersprüchlich.

Frage 2:
Die meisten Quellen sprechen bei der Anregung der Spins lediglich von einem Hochfrequenzimpuls (Frequenz entspricht Lamorfrequenz) der richtigen Leistung und Dauer, der die Magnetisierung um einen bestimmten Winkel, z.B. 90°, in die Transversalebene kippt.

Nur wenige Quellen die ich bisher gefunden habe, spezifizieren das.
So wird erwähnt, dass die Spins als Quantenobjekte prinzipiell nur den antiparallelen oder parallelen Zustand (zum Magnetfeld) einnehmen können. Bei einem HF-Impuls absorbieren nun einige parallele Spins Energie und wechseln in den energetisch ungünstigeren, antiparallelen Zustand. Die Anzahl der somit "angeregten" Spins hängt von der Dauer des Impulses ab. Bei geeigneter Dauer werden z.B. die Hälfte aller "überschüssigen" parallelen Spins (Boltzmann-Verteilung) angeregt und in den antiparallelen Zustand gekippt. Die Längsmagnetisierung hebt sich auf, man spricht von einem 90°-Impuls.

Das alles kann ich problemlos nachvollziehen, allerdings habe ich Schwierigkeiten das Modell auf einen 180°-Refokussierungspuls zu übertragen.

Meine Ideen:
Frage 1:
Bei elektromagnetischen Wellen (z.B. Wellen im Radiofrequenzbereich) handelt es sich ja um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Demnach sendet die in der XY-Ebene präzedierende Transversalmagnetisierung elektromagnetische Wellen aus?
Dies würde dann auch die Abgabe von Energie an die Umgebung(das Gitter) bei der Spin-Gitter Relaxion für mich erklären.
Mein Problem ist hierbei hauptsächlich, dass manche Quellen von Radiowellen sprechen, andere von einer präzedierenden Transversalmagnetisierung, aber keine einzige von mir bisher gefundene Quelle einen Zusammenhang darstellt. Auch die Abgabe von Energie an das "Gitter" wird nie genauer spezifiziert.

Frage 2:
Es werden sowohl parallele als auch antiparallele Spins angeregt. Da mehr parallele Spins existieren (Boltzmann-Verteilung), wird vereinfacht nur von diesen gesprochen. Somit würden bei einem 180°-Impuls (nach vorrausgegangenem 90°-Impuls) gleichermaßen antiparallele Spins, wie auch parallele Spins, den Zustand wechseln. Dadurch würde eben jener Effekt entstehen, dass die dephasierten Spins nun umgekehrt dephasiert sind. Durch erneutes Einwirken der Magnetfeldinhomogenitäten würden sich diese auf bekannte Art und Weise aufheben, es kommt zum Echo.
Allerdings fehlt mir auch hier, bei meinem eigenen Erklärungsversuch, die bildliche Vorstellungskraft.
Außerdem würde es irgendwie keinen Sinn ergeben, wenn auch antiparallele Spins Energie aufnehmen und den Zustand wechseln könnten, sie würden ja in einen niederenergetischen Zustand wechseln. Sie würden somit durch Energieaufnahme Energie verlieren, ein einfach zu erkennender Wiederspruch.

Danke schonmal im vorraus.

Aiber · Anmeldungsdatum: 26.03.2011 Beiträge: 2

Kleiner Zusatz, falls sich doch noch jemand finden sollte der Lust hat mir zu helfen:
Frage 1 habe ich mir inzwischen selber beantwortet, Frage 2 gibt mir allerdings immernoch Rätsel auf.
Hier mal zwei Zitate aus Quellen, die das ganze wie ich finde ziemlich wiedersprüchlich darstellen.

"Wird ein solcher rotierender Kern in ein statisches magnetisches Feld B0 gebracht, so richtet sich dieser nach B0 aus. Durch das Ausrichten beginnt der Kern mit einer Präzessionsbewegung – d. h. die Rotationsachse des Kerns dreht sich um die Richtung des angelegten Magnetfeldes. Die Präzessionsbewegung tritt jedes mal dann auf, wenn der Kern aus seiner Ruhelage gebracht wird. Wird das äußere Feld wieder abgestellt, so fällt der Kern in seine ursprüngliche Lage (thermisches Gleichgewicht) zurück. Wird ein zweites Feld (Transversalfeld) BT angelegt, welches rechtwinklig zum ersten steht, beginnt der Kern wieder zu präzedieren (bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt) – ebenso wenn das Feld wieder abgestellt wird. Um die Kerne dauerhaft zur Präzession anzuregen, ist dieses zweite Feld ein hochfrequentes Wechselfeld (HF-Feld) und rotiert in der xy-Ebene.

Für die Präzessionsbewegung des Kernspins existiert eine Resonanzfrequenz. Bei Atomkernen (aber auch beim Elektron) wird diese Eigenfrequenz Larmorfrequenz genannt. Sie hängt von der Stärke des eingeprägten Magnetfeldes und vom Aufbau des Kerns ab. Die in der medizinischen Anwendung relevanten Wechselfelder liegen im Kurzwellen-Bereich (Wasserstoff bei 1 Tesla 42,58 MHz). Durch die Wahl der Stärke des ersten (statischen) Feldes B0 und die Wahl der Frequenz des Transversalfeldes BT kann sehr genau bestimmt werden, welche Kerne in Resonanz geraten sollen. Durch diesen Resonanzeffekt wird das makroskopische magnetische Moment m des Kerns um 90° in die xy-Ebene gekippt und rotiert präzedierend mit dem Transversalfeld."

Zitat aus: http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~ltemgoua/chemie/Magnetresonanztomographie.html

"Für die MR-Messung (sowohl strukturell als auch funktionell) wird nun dieser Ausgangszustand verändert, indem ein hochfrequenter elektromagnetischer Impuls (radio-frequency- oder rf-pulse) eingestrahlt wird. Entspricht die Impulsfrequenz der Resonanzfrequenz der präzedierenden Wasserstoffkerne, so führt dies erstens dazu, dass die Kerne in Phase, d.h. synchron präzedieren, und zweitens, dass die Ausrichtung einiger Drehachsen in eine relativ zum statischen Magnetfeld antiparallele Lage 'geflipt' wird (Zeitpunkt C in der Abbildung). Abhängig von der Dauer und der Amplitude des rf-Impulses werden unterschiedlich viele Kerne geflipt; sind genau die Hälfte der ausgerichteten Kerne betroffen (bei einem sogenannten 90°-Impuls), so heben sich die längsmagnetischen Momente gegenseitig auf und die Longitudinalmagnetisierung reduziert sich auf Null. Aufgrund der synchronen Präzession entsteht zugleich ein quermagnetisches Moment, d.h. die Transversalmagnetisierung erreicht einen Maximalwert. "

Zitat aus: http://www.ims.uni-stuttgart.de/phonetik/joerg/sgtutorial/neurorad.html

Zwei durchaus seriöse Quellen, die ein und des selben Sachverhalt auf verschiedene Art und Weise erkären. Ich bin verwirrt, wäre nett wenn da jemand Klarheit schaffen könnte.

Danke schonmal im Vorraus