Направления магнитных моментов

В отсутствие МП они случайны, а во внешнем МП спины протонов направлены либо параллельно направлению внешнего МП, либо анти-параллельно.

Энергетические уровни

По законам квантовой физики ядра водорода (протоны) в присутствии внешнего МП могут занимать только 2 энергетических уровня: низкий и высокий. На низком магнитные моменты протонов параллельны направлению внешнего поля, на высоком – анти-параллельны. При переходе на верхний уровень протоны должны иметь какое-то количество энергии, при переходе с верхнего на нижний эта энергия теряется.

Примеры на макроуровне: компас и гитара. В компасе поворачиваем стрелку на противоположный полюс. В гитаре струна не звучит без натяжения, и чем сильнее натяжение, тем выше частота звука.

РЧ-импульс

1. При подаче РЧ-импульса на частоте Лармора, протоны переходят на высокий энергетический уровень.

2. После исчезновения РЧ-импулса, потоны возвращаются на низкий энергетический уровень, излучая энергию в РЧ-диапазоне.

3. Сигнал регистрируется РЧ-катушкой (МР-сигнал)

4. Частота соответствует частоте прецессии протонов, а амплитуда – поперечной намагниченности.

Продольная и поперечная намагниченность.

В продольной вектор намагниченности Мноль направлен вдоль направления поля Вноль. После подачи РЧ-импульса, создающего магнитное поле Водин, вектор намагниченности Мноль отклоняется от равновесного состояния. После прекращения подачи импульса вектор постепенно возвращается в исходное положение, именно это изменение мы и регистрируем.

Спад свободной индукции. Его-то мы и регистрируем.

1. Частота соответствует частоте прецессии протонов

2. Амплитуда – поперечной намагниченности. После исчезновения РЧ-сигнала амплитуда МП-сигнала постепенно снижается.

Процесс восстановления продольной намагниченности, который проявляется в виде снижения амплитуды МР-сигнала называется релаксацией. Существует два процесса. От них зависит продолжительность всего процесса релаксации.

Времена релаксации:

1. Время продольной релаксации – Т1. Она же спин-решёточная релаксация. Это процесс перехода из возбужденного состояния в равновесное. Характеризует стремление спинов после окончания РЧ-импульса вернуться к направлению внешнего МП Вноль. Тодин – время, необходимое для перехода 63% ядер в равновесное состояние после воздействия 90-градусного импульса.

Факторы, влияющие на Т1:

ü тип ядра

ü резонансная частота (напряженность МП)

ü температура

ü подвижность спинов (микровязкость)

ü присутствие больших молекул

ü присутствие парамагнитных ионов или молекул

Вообще, у разных веществ и тканей разное время релаксации, и благодаря этому мы можем их друг от друга отличить.

2. Время поперечной релаксации – Т2. Она же спин-спиновая релаксация. Это процесс спада поперечной намагниченности вследствие потери фазовой когерентности спинов. Причина: небольшое различие частот Лармора (из-за градиента МП), все спины вращаются с немного разной скоростью, происходит расфазировка. Процесс, естественно, параллелен Т1 релаксации. Т2 – это время, необходимое для уменьшения поперечной намагниченности на 69% величины своего начального (максимального) значения. Чем больше расфазируются, тем меньше общая намагниченность. чем больше проходит времени, тем сильнее расфазируются

Факторы, влияющие на Т2:

ü резонансная частота

ü температуры

ü микровязкость

ü присутствие больших молекул

ü присутствие парамагнитных ионов или молекул

Какие-то ткани различаются лучше по Т1, какие-то по Т2.

МРТ-последовательности.

1. Спин-эхо. Выровняли спины, подали 90-импульс, дождались расфазировки и подали 180-импульс. Спины перекинулись на противоположную сторону и расфазировка поварачивается в обратную сторону: они начинают обратно сходиться. И в этой схеме можно играть временем между подачей стимулов. В этом случае лучше отражается интересующая нас ткань. Тут же можно подобрать, в каком веществе в какое время спины будут релаксироваться. И от этого получить лучшую картинку.

Обозначения: ТЕ – time echo, TR – time of repetition, от импульса до импульса, TT/2-импульс 90 градусов, ТТ – 180 градусов.

Построение изображений.

Реконструкция изображений (в МРТ) – преобразование полученных «сырых» данных в томограммы. Как из кривульки получить трехмерное изображение головы?

Внутри катушки создается МП, но оно градиентно. Под влиянием градиентного МП частоты прецессии ядер зависят от пространственного местоположения этих ядер.

Пример: три пробирки с водой. В градиентном поле получаются сигналы от трех образцов. Причем расстояния между пиками зависят от расстояния между образцами по оси Х и величины напряженности градиентного поля. В если поле однородно, то получится один сигнал от одного вещества. А другого-то там и нет.

Другой пример: те же самые пробирки, только разное количество воды в них. Опять же, сколько и куда налито, видно только в градиентном поле.