Introductory NMR & MRI: Video 06: Spin echoes, CPMG and T2 relaxation

Summary

In 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

00:00

🔄 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.

05:03

⏳ 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.

Keywords

💡Spin-Echo

Der Spin-Echo ist ein Trick, der verwendet wird, um Inhomogenitäten im Magnetfeld zu korrigieren. Dabei werden die Spins der Atomkerne so umgedreht, dass sie wieder synchron werden, nachdem sie sich durch das Magnetfeld aus dem Takt bewegt haben. Dies ist wie ein Zeitumkehrprozess, der in der Magnetresonanz eine zentrale Rolle spielt.

💡90°-Puls

Der 90°-Puls ist ein kurzer magnetischer Impuls, der die Kernmagnetisierung von ihrer Gleichgewichtsposition in eine präzise Querrichtung bringt, was ein starkes Signal erzeugt. Dieser Puls wird zu Beginn des Experiments angewendet, um die Spins in das transversale Magnetfeld zu bringen.

💡180°-Puls

Der 180°-Puls dreht die Kernspins vollständig um. Dies wird verwendet, um die Phasendifferenzen, die durch Inhomogenitäten im Magnetfeld entstehen, rückgängig zu machen, sodass die Spins wieder synchron werden und ein Spin-Echo erzeugt wird. Der 180°-Puls dauert doppelt so lange wie der 90°-Puls.

💡Freie Induktionsabklingung (FID)

Die Freie Induktionsabklingung (FID) beschreibt das Signal, das von den Spins nach der Anwendung eines 90°-Pulses erzeugt wird. In einem homogenen Magnetfeld ist diese Abklingung relativ langsam, während sie in einem inhomogenen Feld viel schneller erfolgt. Die FID wird als erste Phase im Spin-Echo-Experiment beobachtet.

💡Inhomogenes Magnetfeld

Ein inhomogenes Magnetfeld bedeutet, dass die Stärke des Magnetfelds an verschiedenen Positionen variiert. Dies führt dazu, dass die Spins der Teilchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten präzedieren, was zu einer schnellen Abklingung des Signals führt. Im Video wird gezeigt, wie diese Inhomogenität durch Fehlanpassungen der Ströme in den Gradienten-Spulen erzeugt wird.

💡T2-Relaxation

Die T2-Relaxation beschreibt den Prozess, bei dem die Magnetisierung aufgrund von zufälligen, unvorhersehbaren Bewegungen von Molekülen mit der Zeit abklingt. Dieser Effekt kann nicht durch den Spin-Echo-Prozess vollständig rückgängig gemacht werden und stellt eine grundlegende Grenze für die Dauer der Signalrückgewinnung dar.

💡T2* (T2-Stern)

T2* ist eine modifizierte Form der T2-Relaxation, die sowohl durch inhomogene Magnetfelder als auch durch molekulare Bewegungen verursacht wird. Sie beschreibt den schnellen Zerfall des Signals aufgrund von zusätzlichen Inhomogenitäten im Magnetfeld, die nicht durch den Spin-Echo-Prozess ausgeglichen werden können.

💡Larmor-Präzession

Die Larmor-Präzession ist die kreisförmige Bewegung, die ein Spin um ein äußeres Magnetfeld ausführt. Die Präzessionsfrequenz hängt von der Stärke des Magnetfelds ab. In einem inhomogenen Magnetfeld präzedieren die Spins mit unterschiedlichen Frequenzen, was dazu führt, dass sie sich mit der Zeit gegenseitig entphasieren.

💡Mehrfach-Echo-Experiment

Das Mehrfach-Echo-Experiment ist eine Erweiterung des Spin-Echo-Experiments, bei der mehrere 180°-Pulse angewendet werden, um eine Kette von Echos zu erzeugen. Obwohl die Amplitude der Echos mit der Zeit abnimmt, ermöglicht dieses Experiment eine detaillierte Untersuchung der Relaxationseffekte wie der T2-Relaxation.

💡Shim-Coils

Shim-Coils sind spezielle Spulen, die verwendet werden, um das Magnetfeld eines NMR-Geräts so zu verändern, dass es homogener oder inhomogener wird. Durch die Einstellung der Ströme in diesen Spulen kann man das Magnetfeld optimieren oder gezielt Verzerrungen erzeugen, um bestimmte Experimente, wie das Spin-Echo-Experiment, durchzuführen.

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