INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Magnetická rezonance Přednáška v rámci projektu IET1 Miloslav Steinbauer
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Osnova
• Podstata nukleární magnetické rezonance (MR) • Historie vývoje MR • Spektroskopie MRS • Tomografie MRI • Využití MR v technické a lékařské praxi
2
(Nukleární) magnetická rezonance – MR, NMR • • • •
• •
•
MR je fyzikálně-elektronická diagnostická metoda, založená na analýze magnetických momentů atomových jader. Tato původně analytická metoda byla později zdokonalena a rozvinuta i jako metoda zobrazovací. Vyznačuje se poměrně značnou principiální a technickou komplikovaností Principy NMR objeveny r. 1938 Isidorem Rabim, technika MR bylas pak zdokonalena r. 1946 nezávisle Felixem Blochem a Edwardem Purcellem Zpočátku byla NMR používána pouze jako spektroskopická metoda v chemickém výzkumu – analýza struktury molekul V r. 1973 Paul Lauterbur popsal možnost zobrazování pomocí NMR (NC 2003 spolu s Sirem Peterem Mansfieldem) – spor o prvenství s Raymondem Damadianem O pouhých 10 let později už byla metoda zobrazování (MRI – magnetic resonance imaging) běžně používána v praxi
3
První celotělový MR tomograf
4
První MRI experiment na člověku
Trvání experimentu asi 5 hodin. 5
První MRI experiment na člověku
6
Model atomu • V Bohrově modelu atomu jsou naznačeny magnetické momenty: jaderný µn, spinový µs a orbitální µl • Základním předpokladem MR je existence nenulového jaderného magnetického momentu.
µn
µl
µS
7
NMR spektrometr (MRS)
• využitelný průměr 54 mm • rezonanční kmitočet pro protony 800 MHz 8
Princip MR – orientace momentů jader ve vnějším poli Stacionární homogenní pole
z
y x
9
Princip MR – vznik precesního pohybu Energetický rozdíl pro m = ±1/2
∆ E = hf = γ
( ) B0 h 2π
Larmorova rovnice
ω0 = γ B0 ω0 f0 =
2π
=
B0
( )B
ω0 = γ B0
γ
2π
0
jádro se spinem
10
Princip MR experimentu Excitace vf pulzem
Sklopení vektoru magnetizace do tranzverzální roviny
11
Princip MR experimentu Excitace vf pulzem způsobí natočení vektoru magnetizace o úhel ϕ Podle velikosti úhlu sklopení označujeme takový pulz jako π-pulz, π/2-pulz atd.
ϕ = γ ∫ B1 ( t ) dt
π 2
π 12
Princip MR experimentu Snímání vf signálu
VF snímání vzorek
B0
13
Princip MR experimentu Zpracování signálu
14
MR experiment
a) Magnetické momenty jader v analyzované látce mají za normálních okolností chaoticky rozházené směry. b) Působením silného magnetického pole B se magnetické momenty jader zorientují do směru vektoru B. c) Vysláním vf elektromagnetického pole kolmého k B se tato zorientovaná jádra vychýlí ze směru B, např. o 90°. Po vypnutí tohoto vf pole budou vychýlená jádra během své precesní rotace vysílat elektromagnetický signál při přechodu nazpátek do „uspořádaného“ stavu. K „překlopení“ spinu dojde pouze thedy, když kmitočet aplikovaného vf pole vyhovuje Larmorově podmínce (např. pro B = 1 T je to pro protony 42,577 MHz). 15
MR aktivní prvky
16
Relaxace z
B0
x
M
y
B11
ω0 B1
B12
Relaxace • Spin-mřížková relaxace (longitudální) • Spin-spinová relaxace (transverzální)
−t M z ( t ) = M 0 1 − e T1
M ⊥ ( t ) = M ⊥0e
−t T2
17
MR spektroskopie (MRS) • Excitace širokospektrálním vf pulzem • Ozáří se celý objem vzorku (pomocí gradientů pole lze i část – lokalizovaná spektroskopie) • Sejmutý FID signál se FFT transformuje do kmitočtu a získá se spektrum odpovídající chem. složení vzorku
18
Chemický posuv •
• •
Vnější magnet. pole v místě jádra je stíněno elektronovými proudy – dochází k „chemickému posuvu“ rezonanční frekvence jádra velmi často dojde i k rozštěpení díky různým pozicím rezonujícího jádra v molekulách Nástroj pro chemické analýzy a (in vivo) lékařské studie
ATP
ADP
19
MR zobrazování (MRI, MRT) MRI – Magnetic Resonance Imaging • pro zobrazování se navíc k poli B0 se přidá gradient pole G v jednom, případně více směrech ⇒ rezonanční frekvence je různá v různých řezech • měří se počet jader v rezonanci v daném řezu (pro časy těsně po aplikaci signálu) – zanedbáváme relaxační procesy • typicky se různé gradienty přikládají v různých časech
hlava MRI sken s umělými barvami – axiální řez mozku ukazující metastatický tumor (žlutě)
oběhový systém
20
MR zobrazování (MRI, MRT)
•
900 MHz, 21.2 T NMR Magnet, Birmingham, UK
21
MR tomografie Gradienty pole
22
MR tomografie Gradientní pole:
B ( z ) = B0 + z ⋅ Gz
Excitační puls se šířkou spektra:
∆ω = γ ⋅ ∆B x,y
ω
Výběr vrstvy:
∆ω ∆z = γ ⋅ Gz
Bz Bz = B0+Gz z
∆ω1
Budicí impulz
dB Gz = dz
ω1 ω0
0
z
z0 d
F(ω)
S(ω) MR signál
ω0
∆ω1
ω 23
MR tomografie Transformace prostor - kmitočet
24
MR tomografie
• Postup MRI experimentu: – výběr vrstvy (pomocí gradientu Gz) – vf excitace – prostorové zakódování souřadnic x-y pomocí gradientů Gx a Gy – snímání signálu echa – Zpracování záznamu pomocí inverzní Fourierovy transformace a převod do 2D obrazu
25
MR tomografie (MRT, MRI)
Principiální schéma tomografu pro MR zobrazování (MRI) 26
Různé metody MRI Existuje celá řada používaných zobrazovacích metod. Ty dávají rozdílný kontrast (tzv. váhování obrazu) - příklady: • • • • • •
Koncentrace jader Relaxační časy T1 a T2 Difúze Pohyby, rychlosti průtoku Lokalizovaná spektroskopie Homogenita mag. Pole
Metoda spin-echo (SE) Metoda SE s volbou TE a TR Metoda vícepulsní SE s volbou TE Metoda SE s +G a –G Metody STEEM, PRESS Metoda SE – fázový obraz
27
Metoda SE – spinové echo •
π/2-puls rozfázování π/2-puls sfázování
28
Metoda GE – gradientní echo •
Rozfázování a sfázování pomocí gradientu
29
orovnání obrazů SE a GE Aplikace SE – T2
Aplikace GE – T2
(ms)
(ms)
Srovnání obrazů relaxační doby T2 získaných pomocí techniky SE a GE. 30
Kontrast v MR obrazech Kromě volby metody záleží i na časování měřicí sekvence, zejména na volbě echo-času TE (době mezi excitací a snímáním signálu FID). Příklad: plod kiwi snímaný metodou SE pro různé echočasy.
TE = 4ms
TE = 15 ms
TE = 50 ms 31
MRI • •
Měřením podélné a příčné magnetizace lze dosáhnout zvýraznění různých tkání V závislosti na tom, zda TR a TE jsou dlouhé či krátké lze přisoudit větší vliv podélné (různé poč. hodnoty magnetizace) -T1-weighted, či příčné -T2-weighted magnetizaci
T1-weighted TR je krátké (500ms)
T2-weighted TR je dlouhé (>3s) 32
Funkční NMR spektroskopie •
•
•
Lze měřit i „funkční“ NMR – měření distribuce různých látek v závislosti na námaze Na rozdíl od CT se často nemusí podávat žádná „kontrastní“ látka zde aktivita amygdaly reagující na vizuální podnět, související s podáním oxytocinu
33
CT – počítačová tomografie • Využívá ionizující rentgenové záření • Pohybující se kamera+zdroj záření vytvářejí „řezy“ objektem – tělem • Počítač skládá tyto řezy do výsledného obrazu
Vyšetření
Běžná efektivní dávka (mSv)
Rentgen hrudi
0,02
CT hlavy
1,5
CT břicha
5,3
CT hrudníku
5,8
CT hrudníku, břicha a pánve
9,9
Srdeční CT angiogram
6,7-13
CT vyšetření tlustého střeva
3,6 - 8,8
34
Kontraindikace MR • Kardiostimulátory. Především přístroje vyrobené před rokem 2000 mohou být během vyšetření poškozeny (u silnějších magnetů je kardiostimulátor ABSOLUTNÍ KONTRAINDIKACE - hrozí nebezpečí poškození zdraví pacienta) • Kovová tělesa z feromagnetického materiálu v nevhodných místech (oko, mozek) • První trimestr těhotenství • Ušní implantáty, naslouchadla • Velká tetování ve vyšetřované oblasti • Klaustrofobie
35
Využití MR
• Medicína (MR tomografie, MR mikroskopie, MR spektroskopie – C13, deuterium, P31) • Chemie – MR spektroskopie, zjišťování struktury molekul, • Nedestruktivní diagnostika • Průzkum vrtů (plyn, ropa)
36
Konec Děkuji za pozornost
37
