Introductory NMR & MRI: Video 06: Spin echoes, CPMG and T2 relaxation
Summary
TLDRIn diesem Video wird das Konzept des Spin-Echo erklärt, ein Trick, um Inhomogenitäten im Magnetfeld zu korrigieren. Es wird auf die Grundlagen des magnetischen Moments von Atomkernen eingegangen und erläutert, wie ein 90°-Puls die Magnetisierung in die transversale Ebene dreht. Durch einen 180°-Puls werden diese Phasenverschiebungen rückgängig gemacht, was das sogenannte Echo erzeugt. Das Video beschreibt zudem den T2-Relaxationsprozess, der die Rückkehr der Magnetisierung begrenzt, und führt den Unterschied zwischen T2 und T2* sowie deren Bedeutung in der Kernspinresonanz auf.
Takeaways
- 🧲 Die Spin-Echo-Technik hilft, Inhomogenitäten im Magnetfeld zu bewältigen.
- 🔄 Ein 90°-Puls bewegt die Magnetisierung in die Transversalebene und ermöglicht maximale Signalstärke.
- ⏳ Ein 90°-Puls dauert etwa 1 Millisekunde und verursacht eine freie Induktionsabklingung (FID).
- 🌪 In einem inhomogenen Magnetfeld führt die FID zu einer schnelleren Abklingzeit und einem breiteren Spektrum.
- 🏃♂️ Die Spin-Echo-Technik ähnelt einem Rennen: Schnelle Spins werden verlangsamt, langsame beschleunigt, um sich wieder zu synchronisieren.
- 🔁 Der 180°-Puls bewirkt eine Neuausrichtung der Spins, um sie wieder in Phase zu bringen.
- 🕰 Das Spin-Echo ist eine Art Zeitumkehrprozess, der von Erwin Hahn in den 1950er Jahren entdeckt wurde.
- 🔊 Das Spin-Echo-Signal erreicht seinen Höhepunkt, wenn die Spins wieder in Phase sind, fällt jedoch anschließend wieder ab.
- 💫 Durch mehrere 180°-Pulse können wiederholte Echos erzeugt werden, aber die Amplitude nimmt mit der Zeit ab.
- 🕳 Der T2-Relaxationsprozess ist ein zufälliger Effekt, der die perfekte Rephasierung der Spins verhindert und Informationen über die molekulare Umgebung liefert.
Q & A
Was ist der Zweck des Spin-Echo-Tricks in der Magnetresonanz?
-Der Spin-Echo-Trick wird verwendet, um die Auswirkungen von Inhomogenitäten im Magnetfeld zu kompensieren, indem die Phasenverschiebungen zwischen den Spins umgekehrt werden. Dadurch können die Spins wieder synchronisiert und das Signal refokussiert werden.
Wie wird ein 90°-Puls erzeugt und welche Wirkung hat er?
-Ein 90°-Puls wird erzeugt, indem ein oszillierendes magnetisches Feld für die richtige Zeitdauer angewendet wird. Dies dreht die Kernmagnetisierung genau um 90° in die transversale Ebene, was das beste Signal liefert.
Was passiert, wenn das Magnetfeld inhomogen ist?
-In einem inhomogenen Magnetfeld präzedieren die Spins mit unterschiedlichen Frequenzen, was dazu führt, dass sie sich mit der Zeit aus der Phase bewegen und das Gesamtsignal schnell abnimmt.
Wie funktioniert der Spin-Echo-Trick, um Spins wieder in Phase zu bringen?
-Beim Spin-Echo-Trick werden die Spins nach einer gewissen Zeit mit einem 180°-Puls umgedreht. Dadurch werden die schneller präzedierenden Spins an den hinteren und die langsamer präzedierenden an den vorderen Positionen neu angeordnet, was sie wieder in Phase bringt.
Wie wird ein 180°-Puls erzeugt und wie unterscheidet er sich von einem 90°-Puls?
-Ein 180°-Puls wird durch das Anlegen des oszillierenden magnetischen Feldes für die doppelte Dauer des 90°-Pulses erzeugt. Dadurch wird die Kernmagnetisierung um 180° gedreht.
Was ist der Unterschied zwischen T2- und T2*-Relaxation?
-Die T2-Relaxation beschreibt einen irreversiblen Prozess, der durch molekulare Bewegungen verursacht wird und die Rephasierung der Spins verhindert. Die T2*-Relaxation tritt auf, wenn es Inhomogenitäten im Magnetfeld gibt, die die Spins zusätzlich dephasieren.
Was zeigt der Spin-Echo-Versuch im Zusammenhang mit der T2-Relaxation?
-Der Spin-Echo-Versuch zeigt, dass die Amplitude des Echos mit der Zeit abnimmt. Dies liegt an der T2-Relaxation, einem stochastischen Prozess, der durch die Bewegung der Moleküle verursacht wird und die Fähigkeit zur perfekten Rephasierung der Spins einschränkt.
Was ist das T1-Relaxationsprozess und wie unterscheidet er sich von T2?
-Der T1-Relaxationsprozess beschreibt die Rückkehr der Spins in ihren thermischen Gleichgewichtszustand, während der T2-Relaxationsprozess mit der Dephasierung der Spins durch molekulare Bewegungen zusammenhängt. T1 beschreibt also die Erholung der Längsmagnetisierung, während T2 die Transversalmagnetisierung betrifft.
Was passiert, wenn mehrere 180°-Pulse nacheinander angewendet werden?
-Wenn mehrere 180°-Pulse nacheinander angewendet werden, kann eine Kette von Echos erzeugt werden, die als Car-Purcell-Experiment bekannt ist. Jedes Echo wird jedoch mit abnehmender Amplitude beobachtet, da die T2-Relaxation die Rephasierung der Spins mit der Zeit behindert.
Was ist das Hauptprinzip hinter der Erzeugung eines Spin-Echos?
-Das Hauptprinzip hinter dem Spin-Echo ist die Phasenumkehr der Spins durch einen 180°-Puls, wodurch die Dephasierung durch Inhomogenitäten im Magnetfeld rückgängig gemacht wird und die Spins wieder synchronisiert werden können.
Outlines
🔄 Einführung in das Spin-Echo und das 90°-Puls-Experiment
In diesem Abschnitt wird das Konzept des Spin-Echos vorgestellt. Die Kernmagnetisierung wird von ihrer Gleichgewichtslage in eine präzise Position verschoben, wobei der günstigste Winkel bei 90° liegt. Dieser wird durch das Anlegen eines oszillierenden Magnetfelds für eine bestimmte Zeit erreicht, was als 90°-Puls bezeichnet wird. Der Text erklärt, wie das Experiment zur freien Induktionszerfallszeit (FID) abläuft und wie das Magnetfeld verändert werden kann, um eine kürzere Zerfallszeit zu erzielen. Es wird betont, dass ein homogenes Magnetfeld eine schmale Spektralbreite erzeugt, während ein inhomogenes Feld eine schnelle Zerfallszeit und ein breites Spektrum hervorruft.
⏳ Handicapping von Spins und das Spin-Echo
Hier wird erklärt, wie unterschiedliche Prozessionsfrequenzen der Spins in einem inhomogenen Magnetfeld dazu führen, dass sich die Spins im Laufe der Zeit auseinander bewegen. Um dies auszugleichen, wird ein Trick angewendet, bei dem die schnelleren Spins verlangsamt und die langsameren beschleunigt werden, um die Phasenverschiebung rückgängig zu machen. Dieser Trick wird als Spin-Echo bezeichnet. Ein 180°-Puls wird verwendet, um die Spins durch eine doppelt so lange Anwendung des oszillierenden Feldes zu drehen, was die Spins wieder in Phase bringt und ein Echo erzeugt.
🕰️ Durchführung des Spin-Echo-Experiments
Das Spin-Echo-Experiment wird mit dem Teranova-Apparat demonstriert. Nach einem 90°-Puls, einer Wartezeit und einem 180°-Puls beginnen die Spins, sich wieder in Phase zu bewegen und ein Echo zu erzeugen. Die Phase des Echos zeigt die perfekte Synchronisation der Spins. Es wird erklärt, dass das gesamte Experiment ca. 6 Sekunden dauert, wobei der 180°-Puls nach der Hälfte der Zeit (3 Sekunden) erfolgt. Der Text beschreibt präzise die zeitliche Abfolge der Pulse und die Bildung des Echos.
🔁 Das Mehrfach-Echo-Experiment und T2-Relaxation
Es wird beschrieben, wie man durch wiederholte 180°-Pulse eine Kette von Echos erzeugen kann, ein Experiment, das als Carr-Purcell-Experiment bekannt ist. Es zeigt sich, dass die Amplitude der Echos mit der Zeit abnimmt. Dies wird durch einen irreversiblen Prozess, die T2-Relaxation, verursacht, der die Rephasierung der Spins beeinträchtigt. Diese T2-Relaxation ist wichtig, um mehr über die molekulare Umgebung und Dynamik zu erfahren. Der Text hebt hervor, dass T2 eine zufällige, stochastische Natur hat.
💡 T2 und T2* – Entstehung und Bedeutung
Zum Abschluss wird der Unterschied zwischen T2- und T2*-Relaxation beschrieben. Während die anfängliche Zerfallszeit durch Inhomogenitäten des Magnetfeldes (T2*) verursacht wird, bleibt die T2-Relaxation als ein unvermeidlicher, irreversibler Prozess bestehen. Schließlich wird die Rückkehr zur thermischen Gleichgewichtslage als T1-Relaxation eingeführt, welche in einem späteren Video weiter erläutert wird.
Mindmap
Keywords
💡Spin-Echo
💡90°-Puls
💡180°-Puls
💡Freie Induktionsabklingung (FID)
💡Inhomogenes Magnetfeld
💡T2-Relaxation
💡T2* (T2-Stern)
💡Larmor-Präzession
💡Mehrfach-Echo-Experiment
💡Shim-Coils
Highlights
Introduction to the concept of spin echo as a method to deal with inhomogeneities in the magnetic field.
Explanation of how the oscillating transverse magnetic field causes nuclear magnetization to move from equilibrium.
The 90° pulse is introduced, which turns nuclear magnetization vectors through a desired angle for maximum signal.
Free Induction Decay (FID) and how it works in a homogeneous magnetic field are revisited.
Shim coils used to produce a homogeneous field can also be adjusted to create an inhomogeneous magnetic field.
Explanation of how different precession frequencies cause spins to dephase in an inhomogeneous field, similar to runners spreading out in a race.
Introduction to the 180° pulse and how it refocuses spins to bring them back into step with each other, demonstrating the spin echo effect.
Detailed demonstration of the spin echo experiment using a 90° pulse followed by a 180° pulse to refocus spins.
Introduction to the Carr-Purcell experiment, where multiple 180° pulses are applied to create a series of echoes over time.
Observation that the amplitude of echoes decreases over time due to an irreversible process known as T2 relaxation.
Explanation of T2 relaxation, which is caused by molecular dynamics and limits the effectiveness of spin rephasing.
Discussion of T2* (T2 star), a decay caused by inhomogeneities in the magnetic field, distinct from T2 relaxation.
Introduction to T1 relaxation, which relates to the return of atomic nuclei to thermal equilibrium.
Tease for the next video, which will explore T1 and T2 relaxation and their measurement.
Historical reference to Erwin Hahn, who discovered the spin echo effect while working as a graduate student in the 1950s.
Transcripts
in this video we're going to be looking
at another way of dealing with
inhomogeneities in the field through a
trick known as the spin
Echo let's go back to First principles
for a moment remember that that
oscillating transverse magnetic field
has the effect of causing the nuclear
magnetization to move from its
equilibrium position pointing along the
magnetic field to being processing at
some particular angle and the most
favored angle for maximum signal is to
have that magnetization lying in the
transverse
plane how do we get just the right
amount of turning well we have to apply
the oscillating magnetic field for just
the right amount of time and that time
produces what is known as a 90°
pulse so let's go and look at how this
90° pulse idea relates to our earlier
free induction Decay
experiment there's the free induction
Decay or FID and the period of time here
goes from 0 to about 2
seconds so the 90° pulse happened right
at the start and the duration of that
pulse was about 1 millisecond that was
the time needed to turn those nuclear
magnetization vectors through exactly
the desired angle of
90° of course that free induction Decay
is obtained with a nice homogeneous
magnetic field it's a l long Decay
producing a narrow
Spectrum the shim coils that we used to
produce that very homogeneous field
could also be used to make the field
less homogeneous by putting a the wrong
current through these coils we could
make for a much shorter free induction
Decay and in order to demonstrate the
spinco trick which I'm going to show you
in a moment it turns out to be very
helpful to do that so I'm just going to
adjust the currents here and run this
again
pre-polarized pulse 90° pulse and a very
rapid free induction decay under this
now quite inhomogeneous field produced
by having the wrong currents in the
gradient coils and there you see a very
broad spectrum now and of course quite
noisy because the height is reduced to
conserve the total area of the
spectrum let's just remind ourselves of
the mechanism that caused this rapid
Decay when we had an in homogen magnetic
field remember then that spins in
different positions of the magnetic
field will have quite different lour
procession frequencies so that as time
goes on because of their different
procession frequencies they'll get out
of step with each other and the total
magz Vector will Decay
away it's rather like runners in a race
we've got some that are fast and some
that are slow and what we' really like
to do is to produce a handicapping when
the fast runners go to the back and the
slow runners go to the front let's just
watch how we might do that I'll start
again with the spins in the
inhomogeneous field with some processing
faster and some processing
slower they gradually spread out with
time but at some point we turn them
over so that eventually they all come
back into step with each other what have
we done there we put the fast spins at
the back and the slow spins
at the front so that when we perform
that handicapping at an equal time later
they've all come back into step with
each other that's a perfect handicapping
and that's the spin Echo trick so what
have we done here we've turned the magz
vectors through
180° and how do we do that we use the
oscillating transverse magnetic field
but instead of applying that oscillating
field for the time required to turn
through 90° we apply it for twice as
long to produce a 180° pulse so instead
of the pulse being 1 millisecond long
the 180° pulse is 2 milliseconds long
this idea of refocusing is a bit like a
Time reversal
process the spin Echo was discovered by
Iran Han young graduate student working
at the University of Illinois in the
1950s and that time reversal process
that lies at the heart of the spin EO
turns out to be one of the most
important Tools in magnetic resonance so
now we're going to carry out the spinco
experiment on the teranova
apparatus we have to start with a 90°
pulse we wait for the magnetization to
Decay away and then we apply the 180°
pulse and we're going to do this
experiment using the Fairly
inhomogeneous magnetic field we have at
the moment that causes quite a rapid
Decay let me run the
experiment what we're going to see
display is the signal obtained after the
180° pulse so what we see in the center
is the formation of the
echo here the spins processing at
different frequencies are coming back
into step to produce a maximum signal
and then they pass through with the fast
ones at the front and the slow ones at
the back again getting out of phase
again on the right is always we have the
Spectrum quite a broad spectrum because
it's quite a rapid decay
of course the complete spino experiment
involved first a 90° pulse a wait for a
period of time for the spins to get out
of phase the 180° pulse I wait for a
further period of time for them to come
back into step again and what I'm going
to show you now is the complete
experiment here at the beginning was
that 1 millisecond long 90° pulse here
we see the def phasing due to the
somewhat inhomogeneous magnetic field no
signal as we ADV in time but here at
this point we have the 180° pulse so
from this point on the spins decided to
get back and step with each other and
here as the echo starts to form we see
them coming back into phase perfectly in
phase at the top of the echo passing
through and then getting out of Step
again as the echo dies
away the total time here from the
beginning of the experiment through to
the center of the echo is about 6 of a
second so the 180° pulse occurred at the
midpoint at 3 of a second there's always
an equal period of time in this time
reversal process between the 90° pulse
and the 180° pulse and the 180° pulse
and the center of the
echo so there it is we made an echo the
question is could we do this trick again
could we apply another 180° pulse and
have another Echo and another Echo and
another e echo in a sort of endless
train of
Echoes the answer is we can and that
effect was discovered by car and pel in
the early 1950s and hence it's known as
the car pel
experiment so here's the single Echo
experiment now let's run the multiple
Echo experiment with multiple 180°
pulses all equally spaced in
time prepolarized pulse to start with
then the train of pulses to give
us the multiple Echo result and here you
see Echo upon Echo running across in
time these little gaps here are because
we have to turn off the receiver during
the transmit phase of the 180° pulse in
order to protect the receiver but in
between we pick up a signal and in each
case we see an
echo but there's something very obvious
we notice about those
Echoes their amplitude is dying away
with time
what's going on here there's some
irreversible process that's not enabling
us to get a perfect refocusing of the
magnetization there's a random process
here which is disturbing our ability to
rephase the
spins and this is known as T2 relaxation
it's a sarcastic process associated with
the Motions of the molecules and it's a
fundamental limitation to the length of
time over which we can produce this time
reversal effect it turns out that T2
relaxation is really extremely useful
because it tells us a great deal about
the nature of the molecular environment
and the Dynamics of the molecules with
which we're performing nuclear magnetic
resonance let's go back again to our
single e Echo experiment and see if we
can see this T2 process at
work here's the original
FID and there's the Echo and if you look
very carefully you can see that the echo
amplitude is just a bit smaller than the
original amplitude of the FID so this
ratio between these two tells us
something about the rate of
Decay you might wonder then what's
causing this initial Decay here well we
know that's caused by inhomogenity of
the magnetic field the t2 relaxation is
a residual irreversible effect even when
we've tried to compensate for
inhomogeneties in the magnetic
field
and what's the name we give to this
Decay here to distinguish it from T2
it's called T2
star now with all this talk of T2 you
might have wondered what ever happened
to
T1 well there is a relaxation process
known as T1 and it relates to the return
of the atomic nuclei back into thermal
equilibrium and in the next video we're
going to be looking at T1 and T2 and how
we measure
them
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