Füüsika ja elektroonika huvilistele.
Teeme ise magnetspektromeetri, seekord ilma magnetita ja vaid lämmastikku sisaldavate ainete jaoks.
https://youtu.be/JO_EHceV9skSee, kuidas jänes ja kilpkonn pannakse staadionile jooksma ja siis stardijoonele tagasi kutsutakse, on tõepoolest geniaalne - nad jõuavad sinna tagasi samaaegselt, kuigi nende jooksukiirus on erinev.. S.t. kõikidele aatamituumadele antakse teatud amplituudi ja kestusega (ja õigel resonantsisagedusel) raadiolainete impulss, mis erinevate prootonite spinnid kallutab erineva nurga alla (ligikaudu 90 kraadi), kuid siis antakse neile teine raadiolainete impulss, mis on täpselt vastassuunaline (nö 180 kraadi) ning seega "kutsutakse tagasi", seekord miinus 90 kraadi alla - sõltuvalt teise impulsi eelsest spinni nurgast on see teine impulss neile erineva mõjuga, selle tulemusena kõikide prootonite spinnid sattuvad teise impulsi järel korraks sarnase nurga alla ning kogusignaal on palju tugevam kui üksiku impulsi korral.
Kuna prootonite spinnide pöörlemise sagedus sõltub neid ümbritsevast magnetväljast ehk nende läheduses liikuvate laetud osakeste asukohast ja iseloomust, on see resonantssagedus erinevates aatomites ja molekulides erinev. Konkreetsel juhul uuritakse lämmastiku aatomite sageduserinevusi - spektroskoopias saadakse resonantsid erinevate sageduste all - see spekter võimaldab teha kindlaks, millise konkreetse ainega on tegemist (s.t. resonantsisagedus sõltub lämmastiku aatomeid ümbritsevatest teistest aaatomitest).
MRI-l kasutatakse siiski teist põhimõtet:
Jätame meelde, et signaali vastuvõtu ajal on prootonite spinnide siht ühiselt mähise jaoks soodsas suunas kallutatud ja spinnide pöörlemise faas sama. (mitte segi ajada elektronide spinnidega). Kui signaal kaob, on
magnetvälja paigutatud prootonite spinnide ühine siht küll sama (seekord paralleelselt või antiparalleelselt piki magneti jõujooni), kuid mähise suhtes ebasoodne ning ka pöörlemise faasid erinevad. Enamus paralleelse ja antiparalleelse suunaga spinne siiski alati tühistab üksteist, resonantsisignaali on võimalik registreerida vaid seetõttu, et paralleelseid on natuke rohkem kui antiparalleelseid ning nad on mähise suhtes parajasti soodsas orientatsioonis. Sama moodi tühistavad ükssteist ka erinevas faasis pöörlevad spinnid. Erinevatest sagedustest on juttu veidi hiljem.
T1 aeg iseloomustab, kui palju aega kulub resonantssignaali kadumiseni prootonite spinni ühise
suuna algasendisse liikumise tõttu (erinevates ainetes erinev)
T2 aeg iseloomustab kui palju aega kulub resonantssignaali kadumiseni prootonite spinni resonantsi ühiste
faaside hajumise tõttu (erinevates ainetes erinev)
Selleks korraldatakse kudedest lähtuvate resonantssignaalide mõõtmised kindlal ajal - erinevates ainetes on seega järele jäänud resonantssignaali tugevus erinev T1 ja T2 efektide tõttu..T1 ja T2 efekti alusel on võimalik suhteliselt hästi iseloomustada, missuguse koematerjaliga on tegemist - nad on piltidel erineva heledusega ja on pildi kontrasti aluseks.
Sageduste analüüsi kasutatakse hoopis resonantssignaali asukoha määramiseks: piki inimkeha tekitatakse ühtlaselt väheneva tugevusega magnetväli. Kuna magnetvälja tugevusest sõltub spinni resonantsisagedus, annab see sagedus ühe koordinaadi väärtuse. Samaaegselt on tehisliku magnetvälja tugevus tehtud erinevaks ka piki ühte ristitelge, seega saadakse selle abil ka teise koordinaadi väärtus 3D ruumis. Kuidas saadakse kolmanda koordinaadi väärtus? Selleks pannakse spinnid keerlema erinevates punktides erinevates ühisfaasides (mitte segi ajada spinni ühissuunaga ehk T1-signaaliga ning spinni ühisfaasi ehk T2 signaaliga; spinnid keerlevad korraga erinevatel sagedustel ja erinevas faasis, kuid resonantsi ajal on nad korraks sarnases faasis ja (peaaegu) sarnasel sagedusel antud ruumipunktis).Kasutatud magnetvälja tugevused on nii suured, et prootoneid ümbritsevad teised aatomid ei avalda sagedusele nii suurt mõju kui magnetitega tekitatud magnetvälja erinevused ruumis.
Resonantssageduse väikesed erinevused ümbritsevate aatomite magnetvälja tõttu tingib aga selle, et resonants läheb ühisest faasist välja - mida suuremad on molekulisisesed (ja koesisesed) erinevused, seda kiiremini ühine faas kaob - s.t. seda lühem on T2 aeg. Nii näiteks rauda sisaldava verevalumi korral on magnetvälja lokaalsed erinevused suured ja ühine faas kaob kiiresti.Vesi on suhteliselt homogeenne ja seal ühine faas püsib kauem. Õhus on aga "lõdvalt seotud" prootoneid vähem kui vees ning seetõttu seal resonantsisignaali praktiliselt ei tekkigi.
Lisaks neile kolmele (T1 ja T2 aega ning "lõdvalt seotud" prootonite tihedust arvestavad pildid) on kasutusel ka lisarežiimid, mis mõõdavad näiteks prootonite difundeerimise suunda ja kiirust (aeglasem läbi rakumembraani, kiirem rakkudevahelises ruumis ja raku sees). Sellega on võimalik näiteks kindlaks teha neuronite suunda (difusioon on kiirem piki neuronit) või rakkude hävimise ulatust (difusioon on kiirem, kui rakuseinad on hävinud). Hapnikuga seotud ja süsihappegaasiga seotud hemoglobiini erinevatel magnetilistel omadustel aga põhineb nn. funktsionaalne uuring - suurema hapnikutarbega piirkondades on hapnikku vaja rohkem kulutada. Seda fenomeni püütakse kasutada ka mõtete lugemisel - teatud semantiliste mõistete peale mõtlemisel tekkivad ajukoores spetsiifilised hapnikutarbimise mustrid. Liikiva vere kujutamisel aga põhinevad mitm. veresoonte uurimise meetodid - uuritakse sama piirkonda mitmel ajahetkel ja vaadatakse, mis alad on muutunud või hoopis uuritakse, kuhu on teatud kindlal viisil muudetud spinnidega prootonid liikunud..
Füüsika ja elektroonika huvilistele.
Teeme ise magnetspektromeetri, seekord ilma magnetita ja vaid lämmastikku sisaldavate ainete jaoks.
https://youtu.be/JO_EHceV9sk
See, kuidas jänes ja kilpkonn pannakse staadionile jooksma ja siis stardijoonele tagasi kutsutakse, on tõepoolest geniaalne - nad jõuavad sinna tagasi samaaegselt, kuigi nende jooksukiirus on erinev.. S.t. kõikidele aatamituumadele antakse teatud amplituudi ja kestusega (ja õigel resonantsisagedusel) raadiolainete impulss, mis erinevate prootonite spinnid kallutab erineva nurga alla (ligikaudu 90 kraadi), kuid siis antakse neile teine raadiolainete impulss, mis on täpselt vastassuunaline (nö 180 kraadi) ning seega "kutsutakse tagasi", seekord miinus 90 kraadi alla - sõltuvalt teise impulsi eelsest spinni nurgast on see teine impulss neile erineva mõjuga, selle tulemusena kõikide prootonite spinnid sattuvad teise impulsi järel korraks sarnase nurga alla ning kogusignaal on palju tugevam kui üksiku impulsi korral.
Kuna prootonite spinnide pöörlemise sagedus sõltub neid ümbritsevast magnetväljast ehk nende läheduses liikuvate laetud osakeste asukohast ja iseloomust, on see resonantssagedus erinevates aatomites ja molekulides erinev. Konkreetsel juhul uuritakse lämmastiku aatomite sageduserinevusi - spektroskoopias saadakse resonantsid erinevate sageduste all - see spekter võimaldab teha kindlaks, millise konkreetse ainega on tegemist (s.t. resonantsisagedus sõltub lämmastiku aatomeid ümbritsevatest teistest aaatomitest).
MRI-l kasutatakse siiski teist põhimõtet:
Jätame meelde, et signaali vastuvõtu ajal on prootonite spinnide siht ühiselt mähise jaoks soodsas suunas kallutatud ja spinnide pöörlemise faas sama. (mitte segi ajada elektronide spinnidega). Kui signaal kaob, on [u]magnetvälja paigutatud[/u] prootonite spinnide ühine siht küll sama (seekord paralleelselt või antiparalleelselt piki magneti jõujooni), kuid mähise suhtes ebasoodne ning ka pöörlemise faasid erinevad. Enamus paralleelse ja antiparalleelse suunaga spinne siiski alati tühistab üksteist, resonantsisignaali on võimalik registreerida vaid seetõttu, et paralleelseid on natuke rohkem kui antiparalleelseid ning nad on mähise suhtes parajasti soodsas orientatsioonis. Sama moodi tühistavad ükssteist ka erinevas faasis pöörlevad spinnid. Erinevatest sagedustest on juttu veidi hiljem.
T1 aeg iseloomustab, kui palju aega kulub resonantssignaali kadumiseni prootonite spinni ühise [u]suuna[/u] algasendisse liikumise tõttu (erinevates ainetes erinev)
T2 aeg iseloomustab kui palju aega kulub resonantssignaali kadumiseni prootonite spinni resonantsi ühiste [u]faaside[/u] hajumise tõttu (erinevates ainetes erinev)
Selleks korraldatakse kudedest lähtuvate resonantssignaalide mõõtmised kindlal ajal - erinevates ainetes on seega järele jäänud resonantssignaali tugevus erinev T1 ja T2 efektide tõttu..T1 ja T2 efekti alusel on võimalik suhteliselt hästi iseloomustada, missuguse koematerjaliga on tegemist - nad on piltidel erineva heledusega ja on pildi kontrasti aluseks.
Sageduste analüüsi kasutatakse hoopis resonantssignaali asukoha määramiseks: piki inimkeha tekitatakse ühtlaselt väheneva tugevusega magnetväli. Kuna magnetvälja tugevusest sõltub spinni resonantsisagedus, annab see sagedus ühe koordinaadi väärtuse. Samaaegselt on tehisliku magnetvälja tugevus tehtud erinevaks ka piki ühte ristitelge, seega saadakse selle abil ka teise koordinaadi väärtus 3D ruumis. Kuidas saadakse kolmanda koordinaadi väärtus? Selleks pannakse spinnid keerlema erinevates punktides erinevates ühisfaasides (mitte segi ajada spinni ühissuunaga ehk T1-signaaliga ning spinni ühisfaasi ehk T2 signaaliga; spinnid keerlevad korraga erinevatel sagedustel ja erinevas faasis, kuid resonantsi ajal on nad korraks sarnases faasis ja (peaaegu) sarnasel sagedusel antud ruumipunktis).Kasutatud magnetvälja tugevused on nii suured, et prootoneid ümbritsevad teised aatomid ei avalda sagedusele nii suurt mõju kui magnetitega tekitatud magnetvälja erinevused ruumis.
Resonantssageduse väikesed erinevused ümbritsevate aatomite magnetvälja tõttu tingib aga selle, et resonants läheb ühisest faasist välja - mida suuremad on molekulisisesed (ja koesisesed) erinevused, seda kiiremini ühine faas kaob - s.t. seda lühem on T2 aeg. Nii näiteks rauda sisaldava verevalumi korral on magnetvälja lokaalsed erinevused suured ja ühine faas kaob kiiresti.Vesi on suhteliselt homogeenne ja seal ühine faas püsib kauem. Õhus on aga "lõdvalt seotud" prootoneid vähem kui vees ning seetõttu seal resonantsisignaali praktiliselt ei tekkigi.
Lisaks neile kolmele (T1 ja T2 aega ning "lõdvalt seotud" prootonite tihedust arvestavad pildid) on kasutusel ka lisarežiimid, mis mõõdavad näiteks prootonite difundeerimise suunda ja kiirust (aeglasem läbi rakumembraani, kiirem rakkudevahelises ruumis ja raku sees). Sellega on võimalik näiteks kindlaks teha neuronite suunda (difusioon on kiirem piki neuronit) või rakkude hävimise ulatust (difusioon on kiirem, kui rakuseinad on hävinud). Hapnikuga seotud ja süsihappegaasiga seotud hemoglobiini erinevatel magnetilistel omadustel aga põhineb nn. funktsionaalne uuring - suurema hapnikutarbega piirkondades on hapnikku vaja rohkem kulutada. Seda fenomeni püütakse kasutada ka mõtete lugemisel - teatud semantiliste mõistete peale mõtlemisel tekkivad ajukoores spetsiifilised hapnikutarbimise mustrid. Liikiva vere kujutamisel aga põhinevad mitm. veresoonte uurimise meetodid - uuritakse sama piirkonda mitmel ajahetkel ja vaadatakse, mis alad on muutunud või hoopis uuritakse, kuhu on teatud kindlal viisil muudetud spinnidega prootonid liikunud..
