Introductory NMR & MRI: Video 03: How the Terranova-MRI works
Summary
TLDRIn diesem Video wird erklärt, wie das Terra Nova funktioniert. Es erläutert, dass für die Magnetresonanz ein homogenes statisches Magnetfeld und ein oszillierendes transversales Magnetfeld benötigt werden, das mit der Larmor-Präzession der Atomkerne in Resonanz steht. Das Erdmagnetfeld, obwohl schwach, bietet ein homogenes statisches Feld. Der Prozess wird durch die Verwendung von Spulen innerhalb des Terra-Nova-Probes unterstützt, die sowohl das Magnetfeld erzeugen als auch das Signal detektieren. Der Beitrag hebt auch die Bedeutung der Magnetfeld-Gradientenspulen für die Magnetresonanztomographie hervor.
Takeaways
- 🔧 Für die magnetische Resonanz werden ein homogenes statisches Magnetfeld und ein oszillierendes transversales Magnetfeld benötigt.
- 💰 Ein homogenes Magnetfeld ist teuer, wird aber in der Natur durch das Erdmagnetfeld kostenlos zur Verfügung gestellt.
- 📉 Das Erdmagnetfeld ist schwach (etwa 60 Mikrotesla in Wellington, Neuseeland), was zu einer niedrigen Larmor-Frequenz führt.
- 🧲 Eine niedrige Larmor-Frequenz verringert die Faraday-Induktion und macht die Signale schwächer.
- 📊 Um schwache Magnetisierung zu kompensieren, werden große Proben verwendet und ein Prä-Polarisationsfeld eingesetzt.
- 🌀 Der Oszillationsspulen erzeugt das transversale Magnetfeld und dient gleichzeitig als Empfänger für die Signale der Kernspinresonanz.
- 🧪 Der Detektorspule liegt im Kern aller NMR- und MRT-Systeme, da sie das magnetische Resonanzsignal aufzeichnet.
- ⚡ Die Prä-Polarisationsspule erzeugt ein starkes Magnetfeld vor Beginn des Experiments, um die Magnetisierung zu erhöhen.
- 🔄 Magnetfeldgradientenspulen korrigieren Unregelmäßigkeiten im Erdmagnetfeld, die durch metallische Objekte entstehen können.
- 🧭 Diese Gradientenspulen sind auch entscheidend für die magnetische Resonanzbildgebung (MRI), da sie die Frequenz in Abhängigkeit von der Position variieren.
Q & A
Was sind die beiden wesentlichen Anforderungen für die magnetische Resonanz?
-Die beiden wesentlichen Anforderungen sind ein homogenes statisches Magnetfeld und ein oszillierendes transversales Magnetfeld, das genau in Resonanz mit der Larmorpräzession der Atomkerne schwingt.
Warum muss das statische Magnetfeld homogen sein?
-Das homogene statische Magnetfeld ist wichtig für die Schärfe der Resonanz und die Genauigkeit der Auflösung bei der Kernspinresonanz.
Wie stellt die Natur ein homogenes statisches Magnetfeld bereit?
-Die Erde stellt ein homogenes statisches Magnetfeld zur Verfügung, das hier in Wellington, Neuseeland, fast vertikal verläuft.
Was ist der Nachteil des Erdmagnetfelds für magnetische Resonanzexperimente?
-Das Erdmagnetfeld ist sehr schwach, etwa 60 Mikrotesla, was zu einer niedrigen Larmorfrequenz von etwa 2,5 Kilohertz für Wasserstoffkerne führt. Diese niedrige Frequenz erzeugt ein schwaches Faraday-Induktionssignal.
Wie wird die geringe Magnetisierung aufgrund des schwachen Erdmagnetfelds kompensiert?
-Eine Möglichkeit besteht darin, eine größere Probenmenge zu verwenden, um mehr Kernspins zu haben. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Vorpolarisierungsfeldes, das die Magnetisierung erhöht.
Welche Rolle spielt die Spule im Zentrum der Terranova-Sonde?
-Die Spule im Zentrum der Sonde erzeugt das oszillierende transversale Magnetfeld, das die Kernspins vom Gleichgewichtszustand ablenkt. Sie dient auch als Empfänger, um das Kernspinresonanzsignal durch Faraday-Induktion aufzunehmen.
Wozu wird die Vorpolarisierungsspule verwendet?
-Die Vorpolarisierungsspule erzeugt ein starkes Magnetfeld vor dem Experiment, um die Kernspins stärker zu polarisieren und dadurch ein stärkeres Signal zu erzeugen.
Warum wird das Magnetfeld durch die Vorpolarisierungsspule vor dem Experiment verstärkt?
-Das verstärkte Magnetfeld erzeugt eine 350-mal größere Magnetisierung als das Erdmagnetfeld, was zu einem deutlicheren Signal im Experiment führt.
Welche Funktion haben die Spulen, die das Magnetfeld in drei orthogonalen Richtungen variieren?
-Diese Spulen erzeugen Magnetfeldgradienten, die verwendet werden, um das Erdmagnetfeld zu korrigieren und um die Larmorfrequenz positionsabhängig zu machen, was für die Magnetresonanztomographie (MRI) entscheidend ist.
Was ist der Hauptzweck der Magnetfeldgradienten in der Magnetresonanztomographie (MRI)?
-Die Magnetfeldgradienten ermöglichen eine positionsabhängige Larmorfrequenz, was die Grundlage für die Bildgebung in der Magnetresonanztomographie bildet.
Outlines
🌐 Grundlagen der magnetischen Resonanz
Dieser Absatz erläutert, wie die Terra Nova-Magnetresonanz arbeitet. Es wird betont, dass für eine magnetische Resonanz eine homogene statische Magnetfeld und ein oszillierende Quermagnetfeld notwendig sind. Das statische Feld muss homogen sein, um eine scharfe Resonanz und eine hohe Auflösung zu gewährleisten. Obwohl das Erdmagnetfeld homogen ist, ist es schwach und führt zu einer niedrigen Frequenz, die eine schwache Induktion verursacht. Um dies zu kompensieren, wird ein Vorpolungsfeld verwendet, um die Signalstärke zu erhöhen. Der Absatz beschreibt auch die Funktion der Koaxialspule im Terra Nova-Gerät, die sowohl zum Stören als auch zum Erfassen des NMR-Signals dient.
🧲 Die Rolle von Vorpolungs- und Gradientenfeldern
In diesem Absatz wird erklärt, wie das Vorpolungsfeld verwendet wird, um die Magnetisierung vor dem NMR-Experiment zu erhöhen, um ein sichtbares Signal zu erhalten. Es wird auch eine komplizierte Spule beschrieben, die Gradientenfelder produziert, die in drei orthogonalen Richtungen variieren. Diese Gradientenfelder dienen dazu, Unregelmäßigkeiten im Erdmagnetfeld auszugleichen und sind auch für die Grundlage der magnetischen Resonanztomografie (MRT) verantwortlich, indem sie die Larmor-Frequenz positionabhängig variieren lassen.
Mindmap
Keywords
💡Magnetische Resonanz
💡Homogenes Magnetfeld
💡Larmor-Präzession
💡Spule
💡Faraday-Induktion
💡Präpolarisationsfeld
💡Nukleare Magnetisierung
💡Magnetische Feldgradienten
💡Superleitender Magnet
💡Kernspinresonanz
Highlights
Explanation of the two necessary components for magnetic resonance: a homogeneous static magnetic field and an oscillating transverse magnetic field.
The significance of a homogeneous static magnetic field is tied to the sharpness of resonance and the degree of resolution in nuclear magnetic resonance.
Creating a homogeneous static magnetic field is expensive, requiring superconducting magnets, but the Earth's magnetic field provides a natural, homogeneous field.
The Earth's magnetic field is weak, approximately 60 microteslas in Wellington, New Zealand, resulting in a low larmor precession frequency of 2.5 kHz for hydrogen nuclei.
A weak magnetic field leads to weak Faraday induction, which makes detecting the nuclear precession signal challenging.
Low magnetization at thermal equilibrium due to the weak magnetic field is another issue, which can be compensated by using larger samples or a pre-polarizing field.
The Terranova apparatus uses a solenoidal coil with over a thousand turns to generate the oscillating transverse magnetic field for disturbing nuclear spins.
The same coil used to generate the transverse magnetic field can also be used to detect signals in nuclear magnetic resonance via Faraday induction.
A polarizing coil produces a magnetic field 350 times stronger than the Earth's field, significantly boosting nuclear spin polarization and signal visibility.
By running current through the polarizing coil for about five seconds, the magnetization increases, improving the nuclear magnetic resonance signal.
Another coil generates magnetic field gradients in three orthogonal directions, which are essential for magnetic resonance imaging (MRI).
The magnetic field gradients correct imperfections in the Earth's magnetic field, which may arise from surrounding metal objects.
Magnetic field gradients allow for position-dependent larmor frequencies, which is a key principle of MRI.
The probe in the Terranova system is compared to a Russian doll, containing multiple layers of coils inside to achieve complex functionalities.
The video hints at future discussions on magnetic resonance imaging, emphasizing the importance of field gradients in the imaging process.
Transcripts
in this video we're going to learn how
the Terra Nova actually works now
remember those two things that we need
for magnetic resonance we need a
homogeneous static magnetic field and we
need of course an oscillating transverse
magnetic field field that oscillates
exactly in resonance with a larmor
precession of the atomic nuclei why does
that static field have to be homogeneous
well I'll leave that as something for
you to think about but it has to do with
the sharpness of the resonance the
degree of resolution that's possible
with nuclear magnetic resonance so let's
come back to our static field to get a
homogeneous field is actually quite an
expensive thing in fact that's what you
pay a lot of money for will you buy a
superconducting magnet for a hospital
MRI system but nature actually provides
us with a homogeneous static magnetic
field for free and that's the Earth's
magnetic field and here in this room
it's more or less vertical and I can
demonstrate that with this little gimbal
mounted magnet here you can see it's
more or less pointing in the vertical
direction here in Wellington New Zealand
there is a downside however to this
earth magnetic field it's very weak
around about sixty microteslas here in
Wellington New Zealand and that leads to
alarm or precession frequency for atomic
nuclei and hydrogen of around about two
and a half kilohertz and that low
frequency leads were rather weak Faraday
induction when we're detecting the
nuclear precession signal the second
problem were the weak magnetic field is
that we're starting off with a very low
magnetization with our Spencer and
thermal equilibrium of course one way to
compensate that is to have lots and lots
of nuclear spins and that means to have
bigger sample as we can and we do we
have a nice large sample the other way
to compensate is to use a trick
something called a pre polarizing field
and I'll tell you about that in a moment
coming back to that oscillating
transverse magnetic field that's
produced inside the probe of the
terranova apparatus and the probe is
really the heart of the instrument it's
driven through a cable from the
spectrometer which is in turn controlled
by the computer
in fact the Terranova probe is a bit
like a Russian doll it's got a whole lot
of layers of coils inside it and in
order to show you that we've got over
here a disassembled probe where I can
pull out the components very easily at
the very centre of the probe is this
coil here
it's a solenoidal coil it's round with
very fine wire there's lots of turns
well over a thousand and this is the
coil we use to produce that oscillating
transverse magnetic field to disturb the
nuclear spins from equilibrium in the
nuclear magnetic resonance phenomenon
but the same coil can also be used to
detect the signal in nuclear magnetic
resonance imagine we have the nuclear
maggin ization processing around in the
plane of this coil and of course by
faraday induction will pick up a signal
in this coil and that signal will be an
oscillating voltage and we can measure
that oscillating voltage to obtain the
information provided in the signal from
uclear magnetic resonance a coil like
this a transmitter receiver coil really
lies at the heart of all nuclear
magnetic resonance and MRI systems the
next coil I want to look at is this one
here on the outside this is a coil that
is used to produce a large magnetic
field just before we start the nuclear
magnetic resonance experiment the idea
of that is to increase the nuclear spin
polarization in order to make the signal
more visible in fact if we started off
with just the Earth's magnetic field
magnetization we'd have such a small
signal would be barely detectable
this coil here produces a field that's
350 times larger than the Earth's
magnetic field and as a consequence the
magnetization that's 350 times larger
and that makes the signal really visible
what we do with this coil which is
called a pre polarizing coil or a
polarizing coil is to run some current
through it for a period of about five
seconds before we actually start the
nuclear magnetic resonance experiment
that produces a large magnetization so
that once we turn off this current we've
got a sufficient mechanization to get a
strong signal in our nuclear magnetic
resonance or MRI experiment but there's
another coil here and that's this one
this is a very complicated looking coil
I've got lots of layers and it's got
some very ingenious patterns and the
windings what this coil does is to
produce a magnetic field that varies in
free orthogonal directions and these
varying fields are known as magnetic
field gradients and they have two
particular uses the first of these is
that by applying a very small current
through these coils we can correct for
imperfections in the Earth's magnetic
field perfections that might occur in a
room like this because of peps a
metallic leg on a table or some
reinforcing steel
the wall and so by adjusting small
courage through these coils we can
improve the homogeneity of the Earth's
magnetic field to the degree that we
require for youth clear magnet reasons
to work really well but the second use
of these coils is that they lie at the
heart of magnetic resonance imaging by
varying the magnetic field in three
orthogonal directions we can reduce
alarm or frequency that depends upon
position and that's the basic principle
behind MRI we'll be looking at that in a
later video
you
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