2011.05.08.
Diagnosztikai módszerek II. Pozitron emissziós tomográfia (PET)
Diagnosztikai módszerek II. PET,MRI
Mágneses magrezonancia képalkotás (MRI)
Kardos Roland 2011 05.02
-Strukturális MRI (sMRI) -Funkcionális MRI (fMRI)
β sugárzó izotópok és előállításuk (Ciklotron)
Pozitron emissziós tomográfia (PET)
Ciklotron: részecske gyorsító, mely mágneses tér segítségével spirális pályára kényszeríti a gyorsított részecskét.
-Ciklotron -Annihiláció
Pozitron (β+) emittáló izotópok: 11C,13N,15O,18F, - rövid felezési idő (perc,óra)
- Koincidencia detektorok
Pozitron hatótávolsága szövetekben 0,2-3 mm!! Radiofarmakonok : pl. radioaktívan jelölt glükóz, víz, ammónia
Pozitron rövid hatótávolság (0,2-3mm)!!! Mit detektálunk?
Annihiláció
Hogyan történik a γ fotonok detektálása?
Radioaktív mag
me, c
9 ,109 10 3 10
8
31
kg
Szcintillációs kristály
Fotoelektron sokszorozó cső
m s
Einstein reláció:
E
Pár keltés!!!
16 ,374 10
E
14
E J
1, 022 MeV
m c
2
Detektor blokk
1, 022 MeV
511 keV
2 Annihiláció: elemi részecske antirészecske párjával találkozva, megsemmisülnek és a tömegüknek megfelelő energia fotonok formájában távozik. Miért keletkezik két egymással ellentétes irányú γ foton?
Szcintillációs detektorgyűrű
Radiofarmakon Szcintillációs detektorgyűrű Hogyan tudjuk eldönteni hogy a két γ foton azonos pontból érkezik?
1
2011.05.08.
Kép rekonstrukció
Koincidencia detektorok
Koincidencia vizsgáló egység
Szcintillációs detektorgyűrű
A 3D kép az egyes pontok aktivitásán keresztül épül fel!!!
Annihiláció A két foton detektálása közti idő hosszabb mint 20 ns
nincs jel!!!
Line of response (LOR): két detektort összekötő egyenes vonal
Számítógépes kép rekonstrukció
A számítógép képes regisztrálni a z egyes LOR-ok mentén keletkezett események számát és ebből feltudja építeni a 3D képet!!!
Ha egy szignál keletkezik a koincidencia detektorokon akkor, egy annihiláció biztosan történt az adott LOR mentén. !
Alkalmazás
SPECT és PET összehasonlítása PET
SPECT
-Onkológia: tumor, metasztázis lokalizálása
Radioaktív minta
Béta sugárzó izotóp (11C,13N,15O,18F,)
Gamma sugárzó izotóp (99Tc,123I,131I,133Xe)
- Szív és az agy funkcionális vizsgálata
Detektált részecske
Gamma fotonok (Annihiláció)
Gamma fotonok
Detektor
Gamma kamera (Koincidencia detektor)
Gamma kamera (Testkörül forgó)
Térbeli felbontás
Jobb (3-4 mm)
Rosszabb (8-10 mm)
Dózis
Alacsonyabb (5-7 mSv)
Magasabb
- Pszichiátriai kutatások : radiofarmakonok receptorhoz való kötődés (szerotonin, dopamin) pl. skizofrénia, drog függőség
Nuclear Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Maghéj modell (ASM)
-Spin mágneses momentum (µ) -Precesszió (Larmor frekvencia) -T1 and T2 relaxációs idő A protonok és neutronok állapotai kvantáltak, hasonlóan az elektronokhoz kvantumszámok rendelhetők hozzá egy adott állapothoz!!!
A protonok és neutronok feles spinű részecskék,melyek spin mágneses momentuma a külső mágneses térhez képest két irányba állhat be,hasonlóan az elektronokhoz!!!
2
2011.05.08.
Proton spin (s) és mágneses spin (ms) kvantumszáma. Proton spin kvantumszáma (s) a saját impulzusmomentum (S) nagyságát kvantálja.
S
s(s
h
1)
1
(s
Az atommag energiájának felhasadása mágneses térben Energia (E)
Rezonancia feltétel: ΔE=h*f
)
Elektromágneses sugárzás (f)
2
2
Forgó mozgást végző töltött részecske mágneses teret generál! Párosítatlan nukleon spinje
Proton kis elemi rúd mágnesként viselkedik!!!
Bo
Proton mágneses spin kvantumszáma (ms) a saját impulzusmomentum (S) és mágneses momentum (µ) irányát kvantálja.
Sz
ms h
1
(m s
2
)
ΔE~f~B
2
Energia különbség a 1H atommag két spin állapota között 1 Tesla (T) mágneses tér alkalmazásakor.
E
Mágneses térerősség (B)
A két spin állapot közötti energetikai különbség (felhasadás mértéke), a külső mágneses térerősséggel egyenes arányos!
2 gp
N
Giromágneses hányados különböző atommagok esetében
B
µN: Nukleár magneton(5,05*10-27 J/T) gp : g faktor (2,79) B: mágneses térerősség (Tesla) 1 Tesla=10 000 Gauss
E
1, 76 10
E
7
eV
2 ,86 10
26
h
B
2
h f
γ: giromágneses hányados B: mágneses térerősség (Tesla)
Rezonancia feltétel: f0
E
J
Föld mágneses tere 0,3 Gauss.
42 ,5 MHz
~100 000 X
Rádió frekvenciás hullám (RF)
MRI –ben alkalmazott mágneses tér erősség 1-4 Tesla!
E
h f
B
h
f ~
2
Különböző atommagok eltérő giromágneses hányadossal rendelkeznek, így azonos mágneses térben más frekvenciával gerjeszthetők!!!
Netto spin mágneses momentum (M0) vagy makroszkópikus mágnesezettség.
Spin mágneses momentum (µ) precessziója mágneses térben Bo ωo: szög sebesség
Nparalel
Nantiparalel Larmor frekvencia (fo): spin mágneses momentum (µ) egy adott mágneses térben, egy meghatározott frekvenciával precesszál.
f0
o
2
A föld rotációs tengelye precesszál, egy teljes kört 26 000 év alatt tesz meg.
f 0 ~ B0
E
B
h 2
Szoba hőmérsékleten (300 K) a spin mágnes momentumok paralel és antiparalel beállása közti különbség minimális. pl. 1 tesla mágneses térben 2 millió 1H atommag esetén csupán 6-al több magnak áll be a spin mágneses momentuma a mágneses tér irányába, mint azzal ellentétesen!
h f0
A spinek gerjesztéséhez használt rádió hullám frekvenciája azonos kell legyen a Larmor frekvenciával!
Boltzmann eloszlás:
N antiparale
Rezonancia!!!
N paralel
E l
e
Makroszkópikus mágnesezettség ennek a 6 1H atommagnak köszönhető !!
k T
MRI vizsgálatkor a nettó spin mágneses momentumot (M0) vizsgáljuk!!!!
3
2011.05.08.
Érzékeny térfogat elem (voxel) kiválasztása
Képalkotás alapja -Proton denzitás: a lágy szövetek víz tartalma hasonló (70-80%)
Gyenge kontraszt!!!
-T1 relaxációs idő: energia csere a spin rendszer és a környezete között -T2 relaxációs idő: energia csere a spinek között Rádió frekvenciás jel sávszélességének módosítása!
Erős kontraszt!!!
Mágneses tér grádiens alkalmazása x és y irányban megváltoztatja a rezonancia feltételt az egyes vizsgálati pontokon!
Eredő mágneses momentum (M) elforgatása 90 o-al RF pulzussal
T1 relaxációs idő (longitudinális vagy spin-rács relaxációs idő)
Mo M0
A spin mágneses momentumok egy hányada a paralel állapotból átfordul az antiparalel irányba és a rájuk jellemző Larmor ferkvenciával precesszálnak azonos fázisban (koherencia)!!!
A gerjesztés megszűntével a spin mágneses momentumok eloszlása visszatér az eredeti állapothoz ennek következtében a longitudionális mágnesezettség visszaáll a gerjesztés előtti szintre. T1 relaxációs idő
A net mágneses momentum vektor (Mo) MZ komponensének visszatérése az eredeti helyzetbe.
T1 relaxációs idő: a spin rendszer és a környezete (rács) közti energia cserével kapcsolatos!
A gerjesztés megszűntével az egyes spin mágneses momentumok precessziója közti koherencia megszűnik ennek következtében a transzverzális mágnesezettség lecseng! T2 relaxációs idő
T2 relaxációs idő (transzverzális vagy spin-spin relaxációs idő) Mx,y komponens nagysága
A net mágneses momentum vektor (Mo) Mx,y komponensének lecsengése.
A net mágneses momentum vektor (Mo) rotációja 90o –al rádió frekvenciás pulzus segítségével.
Idő
A net mágneses momentum vektor (Mo) Mx,y komponensének lecsengése.
T2 relaxációs idő: a spinek közti energia cserével kapcsolatos!
Különböző szövetek különböző T2 idővel jellemezhetők. Kontraszt különbség különböző szövetek közt az MRI felvételen!
Különböző szövetek különböző T1 idővel jellemezhetők. Kontraszt különbség különböző szövetek közt az MRI felvételen!
T1 és T2 relaxációs idők különböző szövetekben Szövet
T1(ms)
Szövet
T2(ms)
Zsír
180
Zsír
90
Máj
270
Máj
50
Lép
480
Lép
80
Vese kéreg
360
Vese kéreg
70
Vese velő
680
Vese velő
140
Fehér állomány
390
Fehér állomány
90
Szürke állomány
520
Szürke állomány
100
Izom
600
Izom
40
Vér
800
Vér
180
Cerebrosp 2000 inális foly.
Cerebrosp 300 inális foly.
Víz
Víz
2500
2500
Bushong, Stewart C., Magnetic Resonance Imaging, 2nd Ed., Mosby-Year Book, Inc., 1996.
4
2011.05.08.
MRI Scanner
Alkalmazás és előnyök Előnyök: -Nem invazív módszer (nincs ionizáló sugárzás) -Térbeli felbontás: 0,3 mm
Alkalmazás -Lágy szövetek vizsgálata -Agyi tumorok detektálása -Sklerosis multiplex -Epilepszia -Stroke
5
