# Moderne Methoden der Zellbiologie

VIII: Darstellung des Gehirns (INHALT) |

### NMR: Kernspintomographie

### Spinüberschuß und biologisches Gewebe im Magnetfeld | LOWRES 74 kbyte

Betrachtet man ein Volumen im Gewebe eines Menschen, der keinem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist, so findet man eine einige gleichmäßige Verteilung aller Spins in dieser Probe. Spins aller Feldrichtungen kommen mit gleicher Wahrscheinlichkeit vor - und kompensieren sich deshalb in ihrer Nettowirkung vollständig. Die Gewebe ist deshalb unmagnetisch.

Wird das Gewebe in ein Magnetfeld gebracht (zB in das starke Magnetfeld eines Kernspingerätes) richten sich die Spins entlang der magnetischen Feldlinien (grün) aus. Dabei ergeben sich zwei Einstellungsmöglichkeiten des magnetischen Moments relativ zur Magnetfeldrichtung: parallel und antiparallel. Die parallele Ausrichtung ist energetisch etwas günstiger als die antiparallele. Deshalb ergibt sich ein kleiner Überschuß an parallel ausgerichteten Spins, der jedoch entscheidend wichtig ist für die Kernspintomographie: denn nur dieser Überschuß an "ungepaarten" parallel ausgerichteten Spins trägt zur Entstehung des Kernspinsignals bei. Je größer der Überschuß an parallel ausgerichteten Spins, desto besser das NMR-Signal.
Der Spinüberschuß hängt von der Stärke des angelegten Magnetfeldes und der Temperatur ab (siehe unten) ab. Bei einer Feldstärke von 1.5 Tesla (NMR-Gerät mit supraleitendem Magneten) beträgt der Überschuß nur 10 parallele Spins pro 2 Millionen (5 ppm). Das erscheint zunächst sehr wenig. Aber 1 ml Wasser mit 3*1022 Molekülen enthält damit immerhin 3*1017 resonanzfähige Wasserstoffatome!

Die Verteilung der Spins zwischen zwei Energieniveaus läßt sich noch etwas anders darstellen. Die energetisch bevorzugte Ausrichtung parallel zum äußeren Magnetfeld hat eine geringere freie Energie, während die antiparallele eine größere freie Energie und damit ein höheres, ungünstigeres Energieniveau aufweist. Der Abstand zwischen den beiden Energieniveaus wird durch die Stärke des äußeren Magnetfelds bestimmt: je größer die Feldstärke, desto größer die Energiedifferenz DE. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Ausrichtungen im Magnetfeld ist allerdings sehr klein (ca 10-8 eV). Deshalb ist eine Besiedelung des oberen Energieniveaus nicht unwahrscheinlich - und deshalb befindet sich zu jedem Zeitpunkt eine großer Anteil der Spins in antiparalleler Ausrichtung.
Wie groß der Anteil der Spins im oberen Energieniveau ist, hängt von der Energiedifferenz DE und der absoluten Temperatur T ab und wird durch die Boltzmann-Gleichung beschrieben:
antiparallel/parallel = e-DE/kT
wobei k, die Boltzmann-Konstante, 1.38054*10-23 J/K beträgt. Beim absoluten Nullpunkt (T=0) befinden sich damit alle Spins in paralleler Ausrichtung zum äußeren Magnetfeld (oben links). Bei höheren Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen beiden Ausrichtungen ein (oben rechts), wobei jedoch die parallele Ausrichtung immer leicht bevorzugt wird. Bei Körpertemperatur sind beide Niveaus fast gleich besetzt. Um ein besseres NMR-Signal zu bekommen, muß man den Spinüberschuß im unteren Niveau erhöhen. Dazu kann man entweder die Temperatur erniedrigen oder DE vergrößern. Bei der Kernspintomographie wird DE durch Anlegen starker Magnetfelder vergrößert.

Homepage Stephan Frings
Institut für Biologische Informationsverarbeitung im Forschungszentrum Jülich