ĆWICZENIE 15

 PODSTAWY REZONANSU MAGNETYCZNEGO.

ZAGADNIENIA:

1.      Pole magnetyczne, linie sił pola magnetycznego, wektor indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego.

2.      Linie sił pola magnetycznego wokół przewodników z prądem.

3.      Budowa jądra atomowego; jądrowe zjawiska magnetyczne, spin jądrowy, wektor magnetyzacji.

4.      Wektor magnetyzacji w zewnętrznym polu magnetycznym, precesja Larmora.

5.      Zjawisko rezonansu magnetycznego

6.      Gradient pola magnetycznego, cewka gradientowa.

7.      Zasada obrazowania NMR

 OPIS TEORETYCZNY:

Pole magnetyczne, linie sił pola magnetycznego, wektor indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego. Jądrowe zjawiska magnetyczne, spin jądrowy, wektor magnetyzacji. Zasada obrazowania NMR

Cewki gradientowe

Aby tworzenie obrazu MRI było możliwe, konieczne jest wprowadzenie do sygnału NMR informacji o położeniu źródła tego sygnału. Tylko w ten sposób możliwe jest zrekonstruowanie obrazu badanego obiektu. Metoda formowania obrazu MRI opisana jest w rozdziale XX (link). Kodowanie informacji o położeniu źródła sygnału NMR odbywa się poprzez wprowadzenie gradientów pola magnetycznego w trzech kierunkach. Oś cewek pola statycznego przyjęto traktować jako oś z. Dla każdego kierunku w układzie kartezjańskim wprowadza się w systemach MRI tzw. cewki gradientowe, czyli cewki wytwarzające gradient pola magnetycznego w każdym z trzech kierunków. Cewka gradientowa Z, nawijana jest zwykle na cylinder otaczający pacjenta w taki sposób, aby w centrum zwoje występowały z dala od siebie a wraz ze zbliżaniem się do krawędzi zgęszczały się spiralnie. Sposób nawijania cewek gradientowe X i Y jest nieco bardziej skomplikowany.
Tworzenie obrazu MRI wymaga tworzenia szybkich sekwencji pól gradientowych. Oznacza to szybkie włączanie i wyłączanie cewek. Możliwości szybkiego przełączanie decydują o parametrach obrazowania systemu MRI. W typowych układach cewka gradientowa ma rezystancję około 1W , indukcyjność 1mH i musi być przełączana od 0 do 10mT/m w czasie 0.5ms. Prąd w takim przypadku w ciągu 0.5ms musi zmienić się od 0 do 100A, co powoduje wydzielenie około 20kW mocy. Ponieważ w sekwencji pomiarowej momenty przełączania trwają relatywnie krótko, nagrzewanie się cewek nie stanowi problemu. Samo przełączanie stawia natomiast niezwykle duże wymagania układom zasilania cewek.

Cewka gradientowa -   cewka służąca do wytworzenia zmiennego w przestrzeni pola magnetycznego, jeżeli w kierunku prostopadłym do kierunku pola statycznego to cewka Golay'a, jeżeli wzdłuż to cewka Maxwell'a

Cewka Helmholtz'a - cewka płaska, najczęściej para cewek odpowiednio oddalonych od siebie

Cewka Maxwell'a - cewka służąca do wytwarzania gradientu wzdłuż kierunku pola statycznego

Gradient pola - zmiana pola w przestrzeni, np. elektrycznego, magnetycznego

Rezonans jądrowy magnetyczny - zjawisko absorpcji lub emisji energii elektromagnetycznej przez jądra atomowe o niezerowym spinie znajdujące się w polu magnetycznym. Wielkość emisji lub absorpcji charakteryzuje się zależnością od częstotliwości i przy tzw. częstotliwości Larmor'a osiąga wartość maksymalną

Częstotliwość Larmora - częstotliwość przy której wzbudzony zostaje magnetyczny rezonans jądrowy

Moment magnetyczny - wielkość fizyczna charakteryzująca magnetyczne właściwości obiektu, np. niektóre jądro atomów posiadają moment magnetyczny (niezerowy spin)

Spin (moment pędu) jest podstawową własnością cząstek elementarnych. Każda cząstka: proton, neutron oraz elektron posiada spin o wartości 1/2 i znaku dodatnim lub ujemnym. Dwie cząstki posiadające spiny przeciwnego znaku mogą parować się eliminując w efekcie udział swych momentów pędu w całkowitym spinie tych cząstek. W technikach NMR znaczenie mają spiny niesparowanych cząstek jąder atomowych.Moment magnetyczny oraz moment pędu
  Wszystkie materiały złożone są z atomów, których jądra składają się z neutronów oraz protonów. Jądra, które posiadają nieparzystą liczbę protonów i/lub neutronów posiadają również spin oraz magnetyczny moment dipolowy.Moment magnetyczny jest wektorem, którego długość jest proporcjonalna do prądu w zamkniętym obwodzie. Moment magnetyczny atomu jest sumą trzech składników:

• pole magnetyczne powstałe na skutek ruchu elektronu wokół jądra atomu (elektron poruszający się po orbicie dookoła jądra tworzy maleńki obwód z prądem);

• moment magnetyczny powstający w wyniku ruchu elektronu dookoła własnej osi, czyli spinu(!);

• 
  moment magnetyczny wytwarzany przez ruch jądra dookoła własnej osi.

W atomach mających wiele elektronów, całkowity moment magnetyczny pochodzący od ruchu elektronów po orbicie jest sumą ich momentów składowych. Obracające się jądro posiada moment pędu oraz moment magnetyczny. Ten ostatni ma stosunkowo mały wpływ na pole całkowite, ponieważ jego wartość jest 10³ razy mniejsza od wartości momentu elektronu.Obracający się dookoła własnej osi elektron lub proton tworzą elementarny magnesik, mający moment magnetyczny 
i moment pędu 
powiązane zależnością:  

---