Magnetisierung

Makroskopische Magnetisierung

Ein einzelner Atomkern besitzt ein magnetisches Moment. In biologischem Gewebe liegen jedoch sehr viele Kerne vor, deren magnetische Momente vektoriell addiert werden. Die resultierende Gesamtgröße wird als Magnetisierungsvektor M beschrieben:

$${\displaystyle {\vec {M}}=\sum {\vec {\mu }}}$$

mit:

• M = makroskopische Magnetisierung
• μ = magnetisches Moment einzelner Spins

Ohne äußeres Magnetfeld sind die Spins zufällig orientiert, sodass sich ihre magnetischen Momente gegenseitig aufheben und keine resultierende Magnetisierung entsteht.

Komponenten der Magnetisierung

Die Magnetisierung kann in zwei orthogonale Komponenten zerlegt werden:

• Longitudinalmagnetisierung (M_z): parallel zum B₀-Magnetfeld
• Transversalmagnetisierung (M_xy): senkrecht zum B₀-Magnetfeld

Im thermischen Gleichgewicht liegt ausschließlich Longitudinalmagnetisierung vor.

Magnetisierung im statischen Magnetfeld

Im B₀-Magnetfeld kommt es durch die Boltzmann-Verteilung zu einer bevorzugten Besetzung des energieärmeren Zustands. Dadurch entsteht eine makroskopische Magnetisierung entlang der Feldrichtung. Diese wird als Longitudinalmagnetisierung bezeichnet.

Einfluss von Hochfrequenzpulsen

Durch einen Hochfrequenzpuls kann die Magnetisierung aus der Längsrichtung gekippt werden. Dabei entsteht eine Transversalmagnetisierung. Der Kippwinkel wird als Flipwinkel bezeichnet und hängt von der Stärke und Dauer des HF-Pulses ab. Nach der Anregung präzediert die Transversalmagnetisierung im Magnetfeld und induziert ein messbares Signal in der Empfangsspule.

Dynamik der Magnetisierung

Die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung wird durch die Bloch-Gleichungen beschrieben. Nach der Anregung kehrt das System durch Relaxationsprozesse in den Gleichgewichtszustand zurück:

• Wiederaufbau der Longitudinalmagnetisierung (T1-Relaxation)
• Abbau der Transversalmagnetisierung (T2-Relaxation)

Diese Prozesse bestimmen maßgeblich den Bildkontrast in der MRT.