Was passiert bei der Magnetresonanztomografie?

Wissenschaft Physik
#1

Hallo (:

Ich lerne gerade für die Physikprüfung und stecke zur Zeit ein wenig bei dem Prinzip des MRTs fest.
Ich weiß, dass die Wasserstoffkerne einen Spin um die eigene Achse haben und das diese sich dann longitudinal im Primärmagnetfeld im Tomografen ausrichten.
Weiterhin haben wir uns etwas über eine Präzessionsbewegung aufgeschrieben. Ich weiß zwar, was das heißt, aber nicht, wie diese zustande kommt und welchen Nutzen sie hat. Soweit ich das verstanden hab, ist sie ja nicht ständig vorhanden und spielt nur im MRT eine Rolle.
Letztendlich wird das Induktionssignal ja durch eine Kippbewegung hervorgerufen, wenn ein transversales Magnetfeld mit hoher Wechselfrequenz eingeschaltet wird. Und dann hab ich noch gelesen, dass diese Frequent mit der Larmorfrequenz übereinstimmen muss, welche ja wieder die Präzessionsbewegung beschreibt.
Ich hab glaube ich die Puzzleteile alle vor mir, bekomme aber nichts sinnvoll zusammengesetzt.
Schließlich gibt es dann ja auch noch die Relaxation. Bedeutet das, dass die Kerne einfach wieder in die longitudinale Achse zurückkippen? Aber das müsste doch dann mit einem Mal gehen, und nicht allmählich? Oder hat das wieder etwas mit dem „Austrudeln“ der Präzessionsbewegung zu tun?
Wäre super, wenn sich da jemand auskennt und mit da weiterhelfen könnte.
Ich bedanke mich schon jetzt für Antworten.

MfG
Alex

#2

Hallo!

Die Präzession spielt immer dann eine Rolle, wenn auf einen Kreisel ein Drehmoment wirkt, das versucht, ihn zu kippen. Der Kreisel reagiert auf diesen Versuch, indem er nicht einfach diesem Drehmoment nachgibt, sondern seine Achse senkrecht zu dem Drehmoment weg dreht.

Mach dir das an einem einfachen Kreisel klar, der schräg auf einem Tisch steht. Eigentlich müßte er umkippen, tut er aber nicht. Statt dessen bewegt sich die Achse senkrecht zu der „Kipprichtung“ weg, und weil das ganze permanent passiert, bewegt sich die Achse selber im Kreis.

Diesen Vorgang nennt man Präzession und kommt, wie du siehst, nicht nur beim MRT vor. Und die Frequenz, mit der sich die Achse dreht, ist die Lamor-Frequenz.

Beim MRT haben die Protonen nun einen Spin, man könnte sagen, das sind magnetische Kreisel. Das statische Feld übt ein Moment aus, das versucht, die Protonen parallel zum ihm auszurichten. Das tun die Protonen aber nicht, sondern sie fangen an zu präzedieren. Das sieht dann so aus, als hättest du ganz viele schräg stehende Kreisel auf dem Tisch, und die Achse von jedem zeigt in eine andere Richtung.

Das Wechselfeld (mit Lamor-Frequenz) sorgt dafür, daß die Achsen alle parallel ausgerichtet werden, und langsam in die Ebene senkrecht zu, statischen Feld kippen. Stell dir dazu vor, daß du deinen Tisch nun hin und her bewegst, mit der Präzessionsgeschwindigkeit der Kreisel. Irgendwann werden sie sich alle im Takt bewegen.

Schaltest du das Feld ab / hörst du mit der Bewegung auf, werden sie sich irgendwann wieder wild durcheinander bewegen, und nicht mehr im Takt. Das läuft exponentiell ab, und die Zeitkonstante ist die Relaxationszeit.

Zum Kreisel kannst du dir vielleicht mal das hier anschauen. Denn den muß man verstanden haben, bevor man sich dem MRT zuwenden kann:

#3

Vielen Dank erstmal für diese gute und anschauliche Erklärung.
Aber ein paar Fragen hab ich noch. Ich hab bei meinen Recherchen öfters gelesen, dass, nachdem die Protonen mit ihren Spins dem Primärfeld ausgesetzt sind, diese sich dann dementsprechen ausrichten. In der Erklärung klang das jetzt so, als wenn sie trotzdem alle ungeordnet sind. Oder war das so gemeint, dass alle mehr oder weniger in eine Richtung zeigen, aber unterschiedliche Präzessionsbewegungen erfahren? Und in der Vorlesung hieß es, dass die Achse durch das Wechselfeld kippt und sich wieder aufrichtet und dadurch Strom induziert wird auf Grund der Magnetfeldänderung. Ich kann mich nicht erinnern, dass wir das so behandelt haben, dass dann alle im Gleichtakt präzedieren, obwohl das eigentlich alles ganz logisch klingt.
Und noch etwas zur Relaxationszeit: Ist das letztendlich die Zeit, die es dauert, bis die Präzessionsbewegung irgendwann wieder aufhört, oder eher bis die Protonen alle wieder unterschiedlich, aber weiterhin, präzedieren?
Vielen Dank nochmal, für die schnelle Antwort.

MfG
Alex