Rilassamento spin-reticolo - Spin–lattice relaxation

Durante le osservazioni di risonanza magnetica nucleare , il rilassamento spin-reticolo è il meccanismo mediante il quale il componente del vettore del momento magnetico nucleare totale che è parallelo al campo magnetico costante si rilassa da uno stato di non equilibrio di energia superiore all'equilibrio termodinamico con l'ambiente circostante (il "reticolo"). È caratterizzato dal tempo di rilassamento spin-reticolo , una costante di tempo nota come T ₁ .

Esiste un parametro diverso, T ₂ , il tempo di rilassamento spin-spin , che riguarda il rilassamento delle componenti del vettore di magnetizzazione nucleare che sono perpendicolari al campo magnetico esterno. La misurazione della variazione di T ₁ e T ₂ in diversi materiali è alla base di alcune tecniche di risonanza magnetica .

Fisica Nucleare

T ₁ caratterizza la velocità con cui la componente longitudinale M _z del vettore di magnetizzazione recupera esponenzialmente verso il suo equilibrio termodinamico, secondo l'equazione

Oppure, per il caso specifico che ${\displaystyle M_{z}(0)=-M_{z,\mathrm {eq} }}$

È quindi il tempo necessario alla magnetizzazione longitudinale per recuperare circa il 63% [1-(1/ e )] del suo valore iniziale dopo essere stata capovolta nel piano magnetico trasversale da un impulso a radiofrequenza di 90°.

I nuclei sono contenuti all'interno di una struttura molecolare e sono in costante movimento vibrazionale e rotatorio, creando un campo magnetico complesso. Il campo magnetico causato dal movimento termico dei nuclei all'interno del reticolo è chiamato campo reticolare. Il campo reticolare di un nucleo in uno stato energetico inferiore può interagire con nuclei in uno stato energetico superiore, facendo sì che l'energia dello stato energetico superiore si distribuisca tra i due nuclei. Pertanto, l'energia acquisita dai nuclei dall'impulso RF viene dissipata come aumento delle vibrazioni e della rotazione all'interno del reticolo, che può aumentare leggermente la temperatura del campione. Il nome di rilassamento spin-reticolo si riferisce al processo in cui gli spin restituiscono l'energia ottenuta dall'impulso RF al reticolo circostante, ripristinando così il loro stato di equilibrio. Lo stesso processo si verifica dopo che l'energia di spin è stata alterata da un cambiamento del campo magnetico statico circostante (es. pre-polarizzazione o inserimento in un campo magnetico elevato) o se lo stato di non equilibrio è stato raggiunto con altri mezzi (es. iperpolarizzazione per via ottica). pompaggio).

Il tempo di rilassamento, T ₁ (la vita media dei nuclei nello stato energetico più elevato) dipende dal rapporto giromagnetico del nucleo e dalla mobilità del reticolo. All'aumentare della mobilità, aumentano le frequenze vibrazionali e rotazionali, rendendo più probabile che un componente del campo reticolare sia in grado di stimolare la transizione dagli stati di alta energia a quelli di bassa energia. Tuttavia, a mobilità estremamente elevate, la probabilità diminuisce poiché le frequenze vibrazionali e rotazionali non corrispondono più al divario energetico tra gli stati.

Tessuti diversi hanno valori di T ₁ diversi . Ad esempio, i fluidi hanno un T ₁ s lungo (1500-2000 ms) e i tessuti a base acquosa sono nell'intervallo 400-1200 ms, mentre i tessuti a base di grasso sono nell'intervallo più breve 100-150 ms. Anche la presenza di ioni o particelle fortemente magnetici (ad es. ferromagnetici o paramagnetici ) altera fortemente i valori di T ₁ e sono ampiamente utilizzati come agenti di contrasto per risonanza magnetica .

Immagini pesate T ₁

La risonanza magnetica utilizza la risonanza dei protoni per generare immagini. I protoni vengono eccitati da un impulso di radiofrequenza ad una frequenza appropriata (frequenza di Larmor ) e quindi l'energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di una minuscola quantità di calore all'ambiente circostante mentre gli spin ritornano al loro equilibrio termico. La magnetizzazione dell'insieme di protoni torna al suo valore di equilibrio con una curva esponenziale caratterizzata da una costante di tempo T ₁ (vedi Rilassamento (NMR) ).

Le immagini pesate T ₁ possono essere ottenute impostando un tempo di ripetizione breve (TR) come < 750 ms e un tempo di eco (TE) come < 40 ms nelle sequenze convenzionali di spin echo , mentre nelle sequenze Gradient Echo possono essere ottenute utilizzando i flip angle maggiore di 50 ^o durante l'impostazione di valori TE a meno di 15 ms.

T ₁ è significativamente diverso tra materia grigia e materia bianca e viene utilizzato quando si eseguono scansioni cerebrali. Un forte contrasto T ₁ è presente tra strutture anatomiche fluide e più solide, rendendo il contrasto T ₁ adatto per la valutazione morfologica dell'anatomia normale o patologica, ad esempio per applicazioni muscoloscheletriche.

Guarda anche

• Rilassamento (RMN)
• Tempo di relax spin-spin
• Angolo di Ernst
• Rilassamento spin-reticolo nel telaio rotante

Riferimenti

• McRobbie D., et al. MRI, dall'immagine al protone. 2003
• Hashemi Ray, et al. Risonanza magnetica, le basi 2ED. 2004.