Az NMR képalkotás alapjai
Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK
Az NMR alapjai alapjai
Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK
Kvantummechanikai alapok
Az atommag mint mozgó objektum impulzusmomentummal rendelkezhet (a nukleonok pályamomentumaiból adódóan) Az nagysága nem lehet tetszőleges 2I+1 iránya lehet (azonos energia, degenerált) A vektor értéke nem lehet egyenlő a z komponensével
P = = I ( I + 1) p z = =M I M I = I , I − 1,...0... − I + 1, − I Ha a neutronok és protonok száma páros I=0 12C, 16O, 32S páratlan I egész szám 2D, 10B, 17O egyik páratlan I feles érték 1H, 13C, 19F, 31P
Az atommag mágneses momentuma
Az impulzusmomentum és töltés Æ mágneses momentum Iránya megegyezik az impulzusmomentummal
μ = gN
e= 4π m p
μz = g N μN M I
I ( I + 1) = g N μ N I ( I + 1) M I = I , I − 1,...0... − I + 1, − I
μ = γ = I ( I + 1) = γ P
μ z = γ =M I γ a giromágneses hányados Miért nevezzük így?
A Larmor jelenség
Az atommag mint pörgettyű
ω = − γB0 a körfrekvencia (energia) a külső mágneses tértől függ z M0
y
M
B0
B0
x
A parallel és anti-parallel összegződik
Molekuláris és klasszikus kép kémikusok szeretik z
y
x
egyensúlyi állapot M0=Mz
gerjesztett állapot M0=My
z
y
x z
y x
populáció inverzió M0=M-z spin physics
A gerjesztés
B1 B1
90 0 pulse
1.
Mivel lehet gerjeszteni? (csak mágnes)
2.
A Larmor precesszió és rezonanciferkvencia
A kémiai eltolódás (amit a szerveskémikus még jobban szeret) y
y
y
x
x
x
off
receiver on dw ell time 2 1 0 0 -1 -2
4
8
12
1H
NMR of a generation 1 PAMAM dendrimer
(terminal group is -NH2)
3.30
3.20
3.10
3.00
2.90
2.80
2.70
2.60
2.50
2.40
2.30
2.20
2.40
2.30
2.20
(ppm)
3.30
3.20
3.10
3.00
2.90
2.80
2.70 (ppm)
2.60
2.50
using a standard instrument setting
Transzverzális relaxáció (T2) y
y
y
x
x
x
y
y
y z
z
off
z
1
receiver on
dwell time 0 0
-1
4
8
12
Longitudinális relaxáció (T1) y
A kvantitatív NMR lényeges eleme Lassúbb mint a transzverz relaxáció
x
y
y
y
z
z
z 1 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 - 0 .2 - 0 .4 - 0 .6 - 0 .8 -1
0
20
40
60
80
Impulzus szekvenciák várakozási idők !!!!
FID és spektrum
Lineáris egyenletrendszerként
1 LW = πT2 -
Fourier-transzformáció
f (ω ) =
∞
∫
f (t )eiωt dt
−∞
- fázis korrekció
A relaxáció
1 T1
DD
=
1 DD 2
T
4 S ( S + 1) μ0 2 2 −6 = γ I γ Sτ c r 3 4π
z
x
y
Transzverzális relaxáció
Mágneses momentumok
Longitudinális relaxáció
A spin-echo A transzverzális relaxáció legfőbb forrása a tér inhomogenitása Ez kiküszöbölhető: spin echóval
y
x
y
x
y
x
y
x
A történet
1946 Bloch és Purcell (1952 fizikai Nobel díj) 1971 Damadian: a daganatos sejtek relaxációja 1973 Lauterbur: paprika Mansfield: NMR diffrakció 1976 Moor és Hinshaw: emberi test 1992 Bányai I.: „minta lettem”
Seth Perlman/Associated Press
Paul C. Lauterbur shows off his photo of the first magnetic resonance imaging yesterday after winning the 2003 Nobel Prize for Physiology or Medicine for his discoveries leading to the development
A történet
1946 Bloch és Purcell (1952 fizikai Nobel díj) 1971 Damadian: a daganatos sejtek relaxációja 1973 Lauterbur: paprika 1976 Moor és Hinshaw: emberi test 1992 Bányai I.: „minta lettem”
Bányai István 1998. május
CT és MRI
Nincs akkora sugárterhelés: X
RF
Kontraszt: elektronsűrűség protonsűrűség
Felbontás: növekevő dózis
több más
Röntgen és MR képek
CT és MRI
Nincs akkor sugárterhelés: X RF Kontraszt: elektronsűrűság protonsűrűség Felbontás: növekevő dózis több más Axiális sík három ortogonális sík Értelmezés: jól kialakult, orvosi diploma elég egyéb szakember segítsége fontos
Röntgennel el nem érhető kép
szagittárius
axiális
koronáris
A spin-echó
TR y
x
y
y
y
x
x
TE
x
T1 szerinti súlyozás (valódi kontraszt)
T2 szerinti eltérések elmosása T1 szerinti eltérések kiemelése Cerebro-spinális folyadék
T2 szerinti súlyozás (fordított kontraszt)
T1 szerinti eltérések elmosása T2 szerinti eltérések kiemelése
Protonsűrűség szerinti súlyozás
T1 szerinti kontraszt elmosása T2 szerinti kontraszt elmosása (C protonban gazdag)
Tomográfiás egyenlet
(
SE = ρ × 1 − e
− TR / T1
)× e
− TE / T2
× f (v )
f ( v ) : áramlási tényező A kép: a függőleges tengelyen a protonok intenzitása: szürkeségi skálán (a relaxációs sebesség szerint kontrasztosítva) Avizszintes tengelyen a helykoordináta (kettő !) Honnan tudjuk mi hol van?
y x
A kép kialakítása
az impulzus csak meghatározott frekvenciá-jú protonokat gerjeszt (B0 függvénye)
A szeletsík kiválasztása (a minta szeletelése (z gradiens))
Z Z
A z irányú gradiens jelöli ki mely réteg kerül a szeletsíkba (kémiai eltolódás)
A kép kialakítása Adott a szelet
ϕ1 ϕ2
ϕ3
ϕ1
ϕ2
ϕ3
ϕ1
ϕ2
ϕ3
X-irányú grad impulzus
ω3 ω2 ω2 ϕ1 ϕ2 ϕ3 ω2 ω2 ω2 ϕ1 ϕ2 ϕ3 ω1 ω1 ω1 ϕ1 ϕ2 ϕ3 Y-irányú gradiens tér
Bányai István T1 súlyozott (SA-zsírszerű)
Bányai István T2 súlyozott (vízszerű világosak)
képek
T2
T2/sűrűség
sűrűség
színes
MRS
N-acetil-aszpartat, creatin, cholin – multiple sclerosis korai diagnózisához
MR-termográfia (paracest-kontraszt)
Temperature maps of a phantom containing 1 mL of 10 mM Eu(2)- in water at pH 7.0. The temperatures of the air flowing over the sample are indicated in each figure while those reported by imaging are shown by the color bar (in units of °C).
Veszély tényezők
Mágneses tér biológiai hatása
Implantátumok (ferromágneses anyagok )
Szívritmus-szabályozó
Klausztrofóbia
Mérgezés
Alapveszélyek FDA MRI Guidelines (2003)
Bo
dB/dt
Adults, Children, and Infants age > 1 month
8T
neonates (infants age < 1 month)
4T
No discomfort, pain, or nerve stimulation whole body, average, over >15 min
4 W/Kg
head, average, over >10 min
3 W/Kg
head or torso, per g of tissue, in >5 min
8 W/Kg
extremities, per g of tissue, in >5 min
12 W/Kg
Peak unweighted
140 dB
A-weighted rms with hearing protection
99 dBA
SAR
Acoustic Level
gépek
Veszély tényezők
Mágneses tér biológiai hatása
Implantátumok (ferromágneses )
Szívritmus-szabályozó
Klausztrofóbia
Mérgezés
Kontraszt anyagok
Ha nincs veszély csinálunk
Kontraszt anyagok 2
Lejárt a GdDTPA szabadalma (NSF) Gd a természetben
Agyi felvételek
normál és kémiailag „kontrasztosított” felvételek Gd3+ (7/2) komplexek alkalmazása
Képek (angiográfia)
képek
kép Tumor felvétel
