🧲 MRT / NMR-Physik — Bloch-Gleichungen

Die Larmor-Frequenz ist die Rate, mit der Kernspins um das statische Feld präzedieren, gleich dem gyromagnetischen Verhältnis mal der Feldstärke. Der Simulator verwendet γ = 42,577 MHz/T für Wasserstoff, sodass der angezeigte Wert bei 1,5 T etwa 63,9 MHz beträgt. Eine Erhöhung des B₀-Reglers erhöht diese Frequenz proportional.

Free Induction Decay ist die oszillierende, abklingende Spannung, die durch die präzedierende transversale Magnetisierung nach einem HF-Impuls in einer Empfängerspule induziert wird. Im Simulator wird es als Betrag von Mxy dargestellt, moduliert durch einen Kosinus, der abklingt, während die T2-Relaxation die transversale Kohärenz reduziert. Es ist das grundlegende Rohsignal, aus dem MRT-Bilder rekonstruiert werden.

Die Schaltfläche 180°-Inversion dreht die Magnetisierung um volle 180 Grad um die x-Achse. Ausgehend vom Gleichgewicht treibt dies Mz auf −1, danach erholt sie sich entlang der T1-Kurve zurück auf +1. Inversion Recovery wird in der echten MRT häufig verwendet, um bestimmte Gewebe wie Fett oder Liquor zu unterdrücken, indem das Auslesen zeitlich so gelegt wird, dass ihr Signal null durchläuft.

Jedes Gewebe hat eine charakteristische molekulare Umgebung, sodass Wasser und Liquor langsam relaxieren (lange T1 und T2), während Fett und Muskel schneller relaxieren. Die Voreinstellungen laden gemessene 1,5-T-Werte — zum Beispiel graue Hirnsubstanz mit etwa T1 1000 ms und T2 100 ms, und Liquor mit etwa T1 4300 ms und T2 2200 ms. Diese Kontraste sind genau das, was die Bildunterschiede zwischen Geweben erzeugt.

Die Relaxationsphysik ist originalgetreu: Sie verwendet exakte exponentielle Lösungen der Bloch-Relaxationsterme mit dem korrekten gyromagnetischen Verhältnis und realistischen Gewebezeiten. Zur Verdeutlichung wird die auf dem Bildschirm angezeigte Präzessionsrate jedoch visuell skaliert statt der tatsächlichen Larmor-Frequenz im zweistelligen Megahertz-Bereich, und chemische Verschiebung, Diffusion und räumliche Gradienten werden nicht modelliert. Es ist ein konzeptionelles Lehrmittel, kein scannergenauer Sequenzsimulator.

Die MRT beruht ausschließlich auf einem starken statischen Magnetfeld und Hochfrequenzimpulsen, um Wasserstoffkerne, hauptsächlich aus Wasser und Fett im Körper, zu manipulieren und zu erkennen. Anders als bei Röntgen oder CT sind keine hochenergetischen Photonen beteiligt, sodass keine ionisierende Strahlendosis anfällt. Das macht die MRT besonders wertvoll für wiederholte Untersuchungen und die Bildgebung bei Kindern und Weichgewebe.

Durch die zeitliche Steuerung der HF-Impulse und des Signalauslesens gewichtet ein Scanner das Bild in Richtung T1- oder T2-Unterschiede zwischen Geweben. Eine T1-gewichtete Sequenz macht Fett hell und Flüssigkeit dunkel, während eine T2-gewichtete Sequenz Flüssigkeit hell macht. Die unterschiedlichen T1- und T2-Werte, die Sie über die Voreinstellungen laden, sind die zugrunde liegende Ursache dieses Kontrasts über graue Substanz, weiße Substanz, Liquor und Pathologie hinweg.

B₀ legt die Stärke des statischen Magneten fest, hier einstellbar von 0,5 bis 7 T. Ein höheres Feld erhöht die Larmor-Frequenz und steigert das Signal-Rausch-Verhältnis, was im Allgemeinen schärfere Bilder liefert, aber auch bestimmte Artefakte und Grenzen der Gewebeerwärmung verstärkt. Klinische Scanner sind üblicherweise 1,5 T oder 3 T, während 7-T-Systeme für die Forschung eingesetzt werden.