Moderne Methoden der Zellbiologie

VIII: Darstellung des Gehirns    (INHALT) butmeth.jpg

NMR: Kernspintomographie

Quermagnetisierung:
Die Entstehung des NMR-Signals

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Wie kommt es bei der Resonanzanregung eines Gewebes zur Entstehung eines NMR-Signals?
 
Ohne Resonanzanregung präzedieren die Spins des Gewebes unkoordiniert (außer Phase). Die Magnetisierung aller Spins in der Probe (Gesamtmagnetisierung) wird durch einen Vektor beschrieben, der nur eine zum Hauptmagnetfeld (Z-Achse) parallele Komponente aufweist (Mz). Es gibt keine Querkomponente (Mxy), weil die zufällig verteilten Querkomponenten aller Spins sich gegenseitig zu Null kompensieren. precessl.jpg
 
Bei Einschalten der Resonanzspule ändert sich die Situation: Die Präzession der Spins wird synchronisiert - sie wird phasenkohärent. Da sich nun zu einem gegebenen Zeitpunkt die meisten Spins in der gleichen Phase befinden, ergibt sich für die Gesamtmagnetisierung eine ausgeprägte XY-Komponente (rechts: Mxy), während die Z-Komponente abnimmt.
 
Ein 90o-Anregungspuls aus der Resonanzspule "klappt" den Vektor der Gesamtmagnetisierung aus der Z-Achse um 90o in die XY-Ebene. Die Zunahme der XY-Komponente des Magnetisierungsvektors wird als Quermagnetisierung bezeichnet. In dem Maße, wie die Quermagnetisierung zunimmt, verschwindet die Längsmagnetisierung in Z-Richtung. Die Spins rotieren dann vollständig in der XY-Ebene, also rechtwinklig zu den Feldlinien des Hauptmagnetfeldes. Das magnetisierte Gewebe emittiert (genau wie die Spule) ein hochfrequentes Magnetfeld, das als NMR-Signal registriert wird.
Hier ist schematisch gezeigt, wie Gewebe durch ein 90o-Anregungssignal magnetisiert wird und ein NMR-Signal emittiert.
 
Oben: Hochfrequentes Anregungssignal einer Resonanzspule
 
Unten: Vom Gewebe ausgehendes NMR-Signal. Während der Anregungsphase nimmt das Signal in dem Maße zu, wie mehr und mehr Spins durch Resonanz in phasenkohärente Präzession gezwungen werden und damit die Quermagnetisierung verstärken. Am Ende der Anregungsphase ist die Quermagnetisierung maximal: die Spins rotieren phasenkohärent in der XY-Ebene.
 
Nach Beendigung des Anregungspulses zerfällt die Quermagnetisierung, denn die Spins verlieren ihre Phasenkohärenz. Bei der Rückkehr zum unangeregten Grundzustand (Relaxation) emittieren sie die Anregungsenergie als elektromagnetische Strahlung der gleichen Frequenz wie die der Anregungsrequenz (Larmorfrequenz). Dieses Signal erzeugt in einer Empfängerspule eine elektrische Wechselspannung - und der Zeitverlauf dieser Spannung ist das NMR-Signal.
 
Während der Relaxationsphase nimmt die Z-Komponente der Magnetisierung (die Längsmagnetisierung), die am Ende der 90o-Anregung Null war, kontinuierlich zu.
 
Der Zeitverlauf der Zunahme der Längsmagnetsisierung sowie der Abnahme der Quermagnetisierung enthält wichtige Informationen für die NMR-Tomographie, denn beide werden entscheidend durch die Dichte des Gewebes beeinflusst (siehe unten).
 
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Die Rückkehr der Spins in den unangeregten Grundzustand ist relativ langsam (bis zu mehreren Sekunden, siehe unten), weil die Spins die Energie, die sie vom Magnetfeld der Resonanzspule aufgenommen haben, erst wieder abgeben müssen. Die Abgabe der Anregungsenergie funktioniert besonders gut in dichtem Gewebe, weil es dort häufig zu Kollisionen mit Nachbaratomen kommt, auf die die Energie übertragen werden kann. Dieser Prozess wird durch die Relaxation der Längsmagnetisierung (unten links) gemessen und durch die Zeitkonstante T1 charakterisiert. In dichtem Gewebe (Fett) ist die Relaxation schneller als in Cerebrospinal-Flüssigkeit (CSF).
 
Das Verschwinden der Quermagntisierung (unten rechts) ist nicht mit Energieübertragung verbunden und wesentlich schneller. Sie gibt den Verlust der Phasenkohärenz wieder und wird durch die Zeitkonstante T2 charakterisiert. Auch die Relaxation der Quermagnetisierung ist gewebespezifisch. Das liegt vor allem daran, daß die Spins in einem dichten Gewebe durch lokale Magnetfelder stark beeinflußt und daher schnell aus der Phasenkohärenz gebracht werden. In dichten Geweben ist T2 deshalb klein. In Geweben mit geringerer Atomdichte - oder in Wasser - sind lokale Magnetfelder aufgrund des größeren Atomabstands schwächer, und die Spins können länger in Phase rotieren: Die Relaxation der Quermagnetisierung ist langsamer.
 
Sowohl T1 als auch T2 sind also dichteabhängig und werden zur Kontrasterzeugung in der Kernspintomographie verwendet.
 
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