Introductory NMR & MRI: Video 03: How the Terranova-MRI works

Summary

In 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

00:00

🌐 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.

05:02

🧲 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.

Keywords

💡Magnetische Resonanz

Die magnetische Resonanz ist das zentrale Thema des Videos. Sie bezieht sich auf die Wechselwirkung von Atomkernen mit einem statischen und einem oszillierenden Magnetfeld, das mit der Larmor-Frequenz der Kerne in Resonanz steht. Diese Technik wird in der Kernspinresonanz und in der Magnetresonanztomographie (MRI) eingesetzt, um detaillierte Informationen über die Struktur von Materialien oder Gewebe zu erhalten.

💡Homogenes Magnetfeld

Ein homogenes Magnetfeld bedeutet, dass das Magnetfeld in allen Bereichen gleich stark ist. Dies ist wichtig für die Genauigkeit der Resonanzmessungen, da ein inhomogenes Feld zu unscharfen Signalen führt. Das Video erwähnt, dass ein homogenes Feld für Kernspinresonanz unerlässlich ist und erklärt, dass die Erde ein schwaches, aber homogenes Magnetfeld bereitstellt.

💡Larmor-Präzession

Die Larmor-Präzession beschreibt die Bewegung von Atomkernen in einem Magnetfeld. Sie rotieren um die Feldachse mit einer bestimmten Frequenz, die als Larmor-Frequenz bekannt ist. Im Video wird erläutert, dass das oszillierende Magnetfeld in Resonanz mit der Larmor-Frequenz stehen muss, um den gewünschten Effekt bei der magnetischen Resonanz zu erzielen.

💡Spule

Im Video wird eine Spule als zentraler Bestandteil des Terra Nova-Geräts beschrieben. Sie erzeugt das oszillierende Magnetfeld und misst die induzierten Signale der Kernspins. Spulen sind auch in MRI-Systemen von großer Bedeutung, da sie sowohl zur Erzeugung von Magnetfeldern als auch zur Signalaufnahme verwendet werden.

💡Faraday-Induktion

Faraday-Induktion bezieht sich auf die Erzeugung einer elektrischen Spannung in einer Spule, wenn sich das Magnetfeld, durch das die Spule verläuft, ändert. Im Zusammenhang mit der Kernspinresonanz wird dieses Prinzip verwendet, um die Präzessionsbewegung der Atomkerne als elektrisches Signal zu detektieren.

💡Präpolarisationsfeld

Das Präpolarisationsfeld ist ein starkes Magnetfeld, das vor dem eigentlichen Experiment erzeugt wird, um die Magnetisierung der Atomkerne zu erhöhen. Diese erhöhte Magnetisierung führt zu stärkeren Signalen, die leichter zu detektieren sind. Im Video wird erklärt, dass das Erdmagnetfeld allein nicht ausreicht, um ein starkes Signal zu erzeugen, weshalb ein Präpolarisationsfeld verwendet wird.

💡Nukleare Magnetisierung

Die nukleare Magnetisierung bezieht sich auf die Ausrichtung der Kernspins in einem Magnetfeld. Diese Ausrichtung wird durch das statische Magnetfeld erreicht und bildet die Grundlage für das Signal, das in der Kernspinresonanz gemessen wird. Das Video erklärt, dass eine höhere Magnetisierung, zum Beispiel durch ein Präpolarisationsfeld, zu stärkeren und besser detektierbaren Signalen führt.

💡Magnetische Feldgradienten

Magnetische Feldgradienten sind Variationen des Magnetfelds in verschiedene Richtungen. Sie werden im Video als wichtiges Werkzeug beschrieben, um die Homogenität des Erdmagnetfeldes zu verbessern und für die Magnetresonanztomographie (MRI) genutzt, um die Position der Kerne durch die Veränderung der Larmor-Frequenz zu bestimmen.

💡Superleitender Magnet

Ein supraleitender Magnet wird in medizinischen MRI-Systemen verwendet, um ein starkes, homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Das Video erwähnt, dass solche Magnete teuer sind, da die Erzeugung eines perfekten Magnetfelds sehr anspruchsvoll ist. Sie werden jedoch benötigt, um hochauflösende Bilder in der MRI zu erstellen.

💡Kernspinresonanz

Die Kernspinresonanz (NMR) ist eine Technik, die auf der magnetischen Resonanz von Atomkernen basiert. Im Video wird erklärt, wie mithilfe von Spulen und Magnetfeldern die Magnetisierung der Atomkerne manipuliert wird, um Informationen über deren Umgebung zu gewinnen. NMR ist eine weit verbreitete Methode in der Chemie und Medizin.

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