Yleistä
Kaikilla alkeishiukkasilla on spiniä eli hiukkasen tietynlaista pyörimistä. Spiniä ei tule sekoittaa pyörimiseen akselin ympäri, koska kyseessä on eri asia. Jos spiniä yritetään kuvata akselin ympäri pyörimisenä, niin hiukkanen pyörisi lähes kymmenkertaisella valonnopeudella. Atomin hiukkaset protoni, neutronit ja elektronit omaavat ½ spinin.
Hiukkasen ollessa magneettikentässä se pystyy absorboimaan fotoneita joiden taajuus on
, missä B on magneettikentän voimakkuus.
Energiatilat
Protonin spiniä voidaan kuvata siten, että protonilla olisi kaksi magneettista napaa, pohjoinen ja etelä. Protonin joutuessa magneettikenttään se järjestäytyy sille edullisimpaan tilaan, eli tilaan joka vaatii vähiten energiaa. Protonin pohjoinen napa osoittaa ulkoisen magneettikentän eteläistä napaa kohti. Jotta protoni järjestäytyisi päinvastoin, eli protonin pohjoisnapa olisi magneettikentän pohjoisnapaa kohti, täytyy protonin saada energiaa järjestäytyäkseen siten eli protoni siirtyy korkeammalle energiatasolle.
Jotta alemmalta energiatasolta siirtyminen korkeammalle energiatasolle on mahdollinen täytyy hiukkasen absorboida fotoni, jonka energia tulee olla täsmälleen energiatilojen erotuksen verran.
E = h *
, missä E on energia ja h Planckin vakio.
Nyt tiedämme, jotta energiatilojen muutos pystyisi tapahtumaan täytyy fotonin energia olla E, eli
E = h *
Fysiikan perusteella voimme todeta, että MRI kuvaus on mahdollista suorittaa, joko magneettikenttää vaihtelemalla, jolloin taajuus on vakio. Toinen vaihtoehto on vaihdella taajuutta, kun magneettikenttä on vakio.
Relaksaatioajat
Suurin osa vetyatomista järjestäytyy alemmalle energiatasolle, eli päämagneettikentän B0 suuntaisesti, osa vetyatomista järjestäytyy vastakkaiselle energiatasolle. Vetyatomien järjestäytymisen suhde on verrannollinen lämpötilaan ja huoneenlämmössä suurempi osa vetyatomeista on alemmalla energiatasolla. Magneettikenttä B0 on Z-tasossa eli pituusakselilla, jolloin vetyatomiryhmän magneettinen momentti MZ on B0:n suuntainen.
Magneettinen momentti MZ pyörii magneettikentän B0 pituusakselin ympäri Larmorin taajuudella. Vetyatomiryhmässä olevat protonit pyörivät erivaiheisina, jolloin niiden keskiarvo on B0:n suuntainen, vaikka yksikään protoni ei pyöri tarkalleen B0:n suuntaisesti.
RF pulssi antaa osalle alemmalla energiatasolla olevalle protonille energiaa jolloin ne siirtyvät korkeammalle energiatasolle. Tällöin vetyatomiryhmän magneettinen momentti MZ laskee. Samalla RF pulssi asettaa protonit samaan vaiheeseen, jolloin vetyatomiryhmän magneettinen momentti MZ kääntyy kohti poikittaisakselia( XY-taso).
Protonit pyörivät Larmorin taajuudella, ja protonien magneetti momenttien keskiarvo on magneettikentän M0 suuntainen.
RF pulssi asettaa osan protoneista ylemmälle energiatasolle, sekä asettaa kaikki Larmorin taajuudella pyörivät protonit samaan vaiheeseen.
Tällöin protonien magneettisen momentin keskiarvo kääntyy XY-tasoon, eli MZ = 0.
Kun RF pulssi on loppunut palaa protonien magneettinen momentti keskiarvo MZ tasapainotilaan. T1 relaksaatioaika on se aika joka protonilla kuluu saavuttaakseen pituusakselin tasapainotilan. T1 relaksaatioajat riippuvat kudostyypistä sekä rakenteesta.
T1 relaksaation kanssa tapahtuu samaan aikaan T2 relaksaatio. RF pulssin loputtua kaikki protonit ovat samassa vaiheessa, mutta heti pulssin loputtua protonien välille alkaa syntyä vaihe-eroa. T2 relaksaatioaika riippuu kudostyypistä.
T1 ja T2 relaksaatiot tapahtuvat molemmat samanaikaisesti. Relaksaatioista vapautuvaa signaalia voidaan kuvata oheisella kuvasarjalla. Tämä signaali on mahdollista havaita RF keloilla.
Vastaanotetusta signaalista voidaan muodostaa MRI kuva käyttäen A/D muunnosta ja Fourier muunnosta, mutta tästä on mahdollista kirjoittaa oma artikkelinsa.
Lähteet
Raakaa teoriaa - The Basics of MRI - Joseph P. Hornak, Ph.D.
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm
Kuvakaappaukset - Lightbox Radiology Education - Introduction to MRI Physics
https://www.youtube.com/watch?v=Ok9ILIYzmaY
Raakaa teoriaa
http://www.revisemri.com/questions/basicphysics/time_constants