T1 -, T2*- und T2 - Relaxation
T2 /
T2* Relaxation
Nach Abschluss der HF-Einstrahlung nimmt die Quermagnetisierung
wieder ab (Querrelaxation) wohingegen sich die
Längsmagnetisierung wieder ihrem Ausgangswert annähert (Längsrelaxation)
d.h. die Protonenspins klappen in die energieärmere
zu B0 parallele Richtung zurück.
Der Verlust der
Quermagnetisierung resultiert aus der gegenseitigen Beeinflussung der Spins (Spin-Spin-Relaxation). Da jeder Spin seinerseits ein
kleines Magnetfeld erzeugt, das dem makroskopischen
Feld B0 überlagert ist, entstehen kleine lokale Magnetfeldinhomogenitäten.
Diese führen durch Abweichungen in der Präzessions-geschwindigkeit
der einzelnen Spins zum Verlust ihrer Phasenkohärenz was auch als Dephasierung
bezeichnet wird. (Abb.10)
Abb.10a
Abb.10b Abb.10c Abb.10d
Nettomagnetisierungsvektor
in Längsrichtung (a) - durch Einstrahlung eines HF-Impulses kommt
es zum Umklappen und Auf-
bau der
Quermagnetisierung (b) - (c) und (d) Querrelaxation: Abnahme der Quermagnetisierung durch
Auseinanderlaufen der
Spins
Entsprechend der
Mechanismen die zur Phasenkohärenz führen, unterscheidet man zwischen der
T2-Relaxationszeit, welche die Spin-Spin-Wechselwirkung
charakterisiert und vom Gewebetyp abhängt und der T2*-Relaxationszeit, die von
den Magnetfeldinhomogenitäten bestimmt wird. Diese Magnetfeld-inhomogenitäten überlagern den normalen
T2-Abfall und scheinen die Relaxation zu beschleunigen. Deshalb wird häufig
nicht T2 sondern T2* beobachtet wobei T2* oftmals erheblich kürzer ist als T2.
Die vom Impuls energetisch angeregten Spins strahlen die zuvor zugeführte Energie als HF-Welle mit Lamor-Frequenz ab. Dieses HF-Signal zeigt dabei einen exponentiellen Abfall mit der Zeitkonstante T2*, was auch als freier Induktionsabfall (free induction decay) FID bezeichnet wird (Abb. 11). Die Relaxationskonstante T2* bezeichnet die Zeit nach einmaligem 90°-Impuls nach der die Quermagnetisierung auf 37 % ihres Ausgangswertes zurückgegangen ist.
Abb.
11: FID – exponentieller Abfall der
Quermagnetisierung
T1 -
Relaxation
Bei der gleichzeitig ablaufenden Längsrelaxation klappen die zuvor angeregten Spins nach
einer gewissen Zeit durch Zusammenstöße mit anderen Atomen (Spin-Gitter-Relaxation)
wieder in die thermodynamisch günstigere
Lage zurück (Abb. 12).
Abb. 12:
Rückkehr der Spins in ihren Ausgangszustand – Wiederaufbau der
Längsmagnetisierung Mz
Die Längsmagnetisierung steigt nach
einer e-Funktion vom Wert Null wieder auf die Größe vor der 90° Auslenkung. Die
Relaxationskonstante T1 bezeichnet nun jene Zeit,
nach der 63% der ursprünglichen Längsmagnetisierung wieder erreicht sind (Abb.
13).
Abb. 13 : Relaxation der Längsmagnetisierung
Während T1 den Abfall des angeregten Systems in den Zustand des thermischen Gleichgewichts darstellt, wird mit T2 der Zerfall der Spinsynchronisation bezeichnet, wodurch der Quermagnetisierungsvektor in der Mxy-Ebene gegen Null geht.
Wie schon erwähnt, überlagern Magnetfeldinhomogenitäten den normalen T2-Abfall weshalb häufig nicht T2 sondern T2* beobachtet wird. Um diese technisch bedingten Magnetfeldinhomogenitäten auszuschalten, erzeugt man ein Spin-Echo. Dabei folgt dem 90°-Impuls ein 180°-Impulses nach. Letzterer bewirkt das Umklappen des Nettomagnetisierungsvektors um 180° was eine Änderung der Rotationsrichtung der Protonenspins zur Folge hat. Da die schnellen Spins den langsamen Spins nachlaufen, kommt es zu einer Wiederherstellung der Quermagnetisierung, was als Rephasierung bezeichnet wird (Abb. 14).
Abb. 14 : durch den 180°-Impuls kann die Dephasierung
der Spinzustände wieder rückgängig gemacht werden
Präzedieren wieder alle Spins in Phase, kommt es zum sogenannten Spin-Echo. Da jedoch mit zunehmender Zeit mehr und mehr Protonenspins für den Rephasierungsprozess verloren gehen, wird auch die Amplitude der Spin-Echos exponentiell geringer. Die T2-Zeit beschreibt die Zeit, nach der diese Amplitude auf 37% des Signals der maximalen Quermagnetisierung abgenommen hat.