Rádióspektroszkópiai módszerek ESR: Elektron Spin Rezonancia (Electron Spin Resonance)
elektronhéjak tulajdonságai
NMR: Mágneses Magrezonancia (Nuclear Magnetic Resonance)
atommagok tulajdonságai
A kvantumszámok
Fizikai alapfogalmak impulzusmomentum (perdület)
I mv L I r mágneses momentum - töltés köráram
elemi rúdmágnes
Dipólus
erőssége iránya
Az elektron mint köráram mágneses dipólusként viselkedik.
Az elektron pályamozgástól független saját-impulzusmomentuma: SPIN Spin kvantumszám: S s ( s 1) s S
1 2 3 2
S z ms
Saját elektromágneses momentum m s Mágneses spinkvantumszám: ms B0 : paralel
B0 : antiparalel
1 Sz 2
1 2 1 /2
Megadja a spin vetületeinek nagyságát egy kitüntetett irányra (mágneses térben a saját elektromágneses momentum kétféleképpen állhat be)
Saját tengely körüli forgás saját impulzusmomentum: SPIN
pörgettyű
Saját elektromágneses momentum
elemi rúdmágnes
A proton, a neutron és az elektron feles spinű részecskék.
Mágneses tér hiányában:
B0 0
Elemi mágnesek orientációja random Mágneses térben:
B0 0
Elemi mágnesek 2 fő beállása (paralel, antiparalel) Precessziós mozgás
M : makroszkópikus mágnesezettség
B0
f0 : rezonanciafrekvencia
M
f0
Energiaszintek felhasadnak
DE
E
~
B0
DE hf 0
DE
B0
B
f0
paralel
antiparalel
A spektrométer blokkdiagrammja Homogén mágneses tér: B0 É Adó
M
Rádiófrekvenciás EM sugárzás: f0
D
oszcillátor NMR Frekvenciatartomány: 60 – 400 MHz Mágneses térerő: 1 – 10 T ESR Frekvenciatartomány: 9 – 250 GHz Mágneses térerő: 0.1 – 10 T
elektromágnes Vevő
Rádióvevő Az abszorbeált energiával arányos jel detektálása
Spin-rács relaxáció: T1 vagy longitudinális relaxáció
Mz
t
A gerjesztő EM sugárzás megszűnése után a spin rendszer a többlet energiától igyekszik megszabadulni, azt a környező “rácsnak” adja át. Mz növekvő amplitúdóval visszatér a kezdeti egyensúlyi állapotba Időállandó: T1
Spin-spin relaxáció: T2 vagy transzverzális relaxáció Mxy
“free induction decay” (FID)
Mxy → 0
t
A spinek azonos fázisszöggel forognak (y irányban) Mxy → max : Kényszerhelyzet A spinek eltávolodnak (fázisvesztés) xy síkban egyenletes eloszlás Mxy → 0
Exponenciálisan lecsengő mágnesezettség és indukált feszültség Időállandó: T2
Spektrumok Az abszorpció mértéke arányos az adott energiát abszorbeálni képes magok/elektronok koncentrációjával. Az ESR/NMR spektrum a rendszer által abszorbeált energiát ábrázolja a gerjesztési energia (ΔE) frekvenciájának (f) vagy a mágneses térnek (H, B) a függvényében. A lokális térerősség (különböző molekuláris környezet) miatt az egyes magspinek, elektronspinek gerjesztési energiája (ΔE) különböző. Az ESR/NMR spektroszkópia feladata az, hogy feltérképezze a molekuláris környezetbeli azonosságokat, különbségeket.
NMR spektrumok Spektrumvonalak relatív amplitúdója
Referenciajel
Amplitudó
Különböző kémiai környezetű protonoktól származó jelek
CH3-CH2-OH
0 ~ abszorpció ~ protonkoncentráció
2
4
6
8
Spektrumvonalak f f s o 106 kémiai eltolódása fo
10
12 ppm
Spektrumvonalak finomszerkezete
ESR spektrumok Max / min helye a H atom alapján Spektrumvonalak alakja
Amplitúdó
Max / min távolság
H [Gauss]
Max / min relatív amplitúdói
Alkalmazási lehetőségek NMR × Szerves vegyületek molekulaszerkezetének vizsgálata × Szerves vegyületek kölcsönhatásainak vizsgálata × Makromolekulák (fehérjék, nukleinsavak) szerkezetének vizsgálata × Biológiai és mesterséges membránok, liposzómák vizsgálata × MRI: mágneses rezonanciatomográfia
MRI- NMR orvosi alkalmazása
Alkalmazási lehetőségek ESR × Enzim – szubsztrát kölcsönhatás vizsgálata × Fehérjeszegmensek mozgásállapotának vizsgálata speciális paramágneses jelölők alkalmazásával × Biológiai és mesterséges membránok, liposzómák vizsgálata × Lipid – lipid, lipid – fehérje kölcsönhatás vizsgálata × Biológiai szövetekben keletkező szabadgyökök kimutatása × Metalloproteinek szerkezeti vizsgálata (fémionok oxidációs állapota / fehérje konformációjának változása)
(Nuclear) Magnetic Resonance Imaging”: mágneses magrezonancia képalkotás Orvosi diagnosztikában: a test szerkezetének leképezéséhez agyi képalkotás területén Előnye a komputertomográfiához képest: jobb a kontrasztfelbontó képessége a lágy szövetek területein Létezik: a strukturális MRI vizsgálat (sMRI) mellett ún. funkcionális MRI (fMRI) is, amellyel a vizsgált szervek működéséről nyerhető információ.
Az MRI működési alapelve
mágneses térbe helyezik a testrészt
ez megdönti a protonok tengelyének irányát a hidrogénatomokban
plusz energiával „bombázzák”, megváltoztatják a tengelyek dőlését
„igyekszik” visszaállítani eredeti dőlésszögét a kapott energiát visszasugározza ezt a visszasugárzott energiát mérjük
ez egy 3D képrekonstrukció
beállított síkokban képeket készítenek, amelyekről információt nyernek az adott térfogaton található szövetek víztartalmáról, sűrűségéről
Elektromágneses tér
A mágneses térerősségnek a rezonanciafeltételt egy adott pillanatban a leképzendő testszelvény kicsiny térfogatelemében kell kielégítenie több mágneses tér egyidejű alkalmazásával. A gradiensek változtatásával a sík pásztázása.
A képalkotásban a legkisebb vizsgálati egység.
Meghaladja a sejtek méretét (1-3 mm oldalhosszúságú) megeshet, hogy egy adott voxel például szürke és fehérállományhoz tartozó sejteket is tartalmaz.
Statisztikai eljárások, beprogramozott elvek segítségével a szoftver döntést hoz az adott területtel kapcsolatban.
Voxel
gerjesztési adatok: B=0,05 – 2 T f=MHz-10MHz
A műszer
Adatok forrása: a protonokból visszasugárzott energia mennyisége. Info:
◦ szövetek sűrűsége ◦ szövetek kémiai környezete ◦ víztartalom eloszlása
Az MRI képek jellemzői
súlyozási eljárások: ◦ :strukturális elemzésekhez a szürkeállomány sötétebb szürke, a fehérállomány világosabb, esetleg fehér, és a liquor fekete. a szürkeállomány vékony felülete világosabb tónusú a fehérállománynál, ám a liquor itt is fekete.
http://www.radiologyinfo.ca/utilisateur/images/16_mri_body_b.jpg
Nehézségek az elemzésben
Voxelek: a legnagyobb felbontású gépekben is milliméter nagyságrendűek.
Hosszadalmas, nagy körültekintést igényel és drága.
A páciens mozog, a képek egymáshoz képest elmozdulnak. Egyenetlen mágneses mező torzulások. A szkenner felmelegszik. rossz jel-zaj arány rontja a statisztikák megbízhatóságát is.
Nehézségek
Az emberi agyak nem egyformák. ◦ barázdáltság, ◦ méret ◦ alak ◦ összehasonlításhoz megfeleltetik őket egymásnak regisztráció: szükséges átalakítások felmérése, számítása transzformáció: fentiek végrehajtása. illesztés A számításokat a koordináta-transzformáció szabályai szerint végzik. ◦ lineáris transzformáció - merev testek esetén (ugyanazon személy elmozdult agyának illesztésére): mozgatás, forgatás, három dimenzió mentén; méretezés, torzítás
MR-biztonság
Elektromos implantátumok: pl. pacemaker, inzulin-pumpa, megoldás lehet: implantátumok olyan nano-borítása, amely leárnyékolja a szerkezetet. Mágnesezhető idegen testek (pl. repeszdarabok) vagy fém implantátumok (pl. sebészeti protézisek, aneurizma sztentek) implantátum mágneses mezőben való elmozdulása, a tárgy indukciós felhevülése. megoldás: titán implantátumok (nem mágnesezhető és gyenge elektromos vezető. ◦ implantátumok és egyéb klinikai készülékek besorolása: ◦ MR biztos, MR feltételes jelzés, MR veszélyes jelzés
MR-biztonság
Klausztrofóbia és diszkomfortérzés ◦ ◦ ◦ ◦
Vizsgálandó testrészet a hosszú cső közepébe Hosszú szkennelési idő (alkalmanként akár 40 perc is lehet). Mozgolódás torzító hatása nehezen kiküszöbölhető Modern MR készülékek: nagyobb átmérő (70 centimétert), rövidebb szkennelési idő.
Előzetes felkészülés ◦ a szkenner megtekintése a szoba megismerése céljából, az asztalon való előzetes fekvés ◦ vizualizációs technikák ◦ gyógyszeres nyugtatás ◦ általános altatás Megküzdés a szkennerben ◦ „pánikgomb” ◦ szemek csukva tartása ◦ zenehallgatás vagy egy film nézése ◦ a szkenner szoba megvilágítása, hangok lejátszása, és képek a falon vagy a plafonon Alternatív szkenner kivitelezések:
◦ nyitott, vagy álló MRI alacsonyabb szkennelési minőség ( kisebb mágneses mező). ◦ A kereskedelemben az 1 teslás nyitott rendszerek kezdenek elterjedni, mivel sokkal jobb képminőséget biztosítanak.
Az agyi képalkotás módszere. Van-e eltérés egy betegcsoport szürkeállományának méretében a normál populációhoz képest? Bizonyos tevékenységek hosszú éveken át történő űzése együtt jár-e strukturális elváltozásokkal? Adott beteg agysérülésének pontos felmérése. Strukturális elváltozások kapcsolata neurológiai, pszichiátriai tünetekkel.
Strukturális MRI vizsgálat
http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:User-FastFission-brain.gif
Funkcionális MRI http://wsunews.wsu.edu/Content/P ublications/MRI1.jpg
http://wsunews.wsu.edu/Content/P ublications/MRI_NEURO1.jpg
A funkcionális MRI (fMRI) az MRI vizsgálat egy specializált típusa, amely az idegi aktivitással összefüggésben lévő hemodinamikus választ méri az emberek és állatok agyában vagy spinális kötegében. Az 1990-es évek elejétől kezdve az fMRI domináns módszerré vált az agy feltérképezésének területén, mivel nem invazív eljárás, nem használ radioaktivitást, valamint viszonylag széleskörűen hasznosítható. http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:FMRI.jpg
BOLD MRI A vér-oxigén-szint függő (Blood-oxygen-level dependent) MRI lehetővé teszi, hogy megfigyeljük, hogy az agy mely területei aktívak adott időben. Hemodinamikus válasz-folyamaton keresztül a vér nagyobb mértékben szállít oxigént az aktív, mint az inaktív neuronokhoz. Mágneses érzékenységben különbségek vannak az oxihemoglobin és a deoxihemoglobin között, és így az oxigéndús és az oxigénszegény vér között a mágneses jel változása MRI szkennerrel detektálható. Statisztikai módszerekkel meghatározható, hogy az agy mely területei aktívak a gondolatok, mozgások és élmények alatt.
Kontraszt MR, megjelölt spin technika
Kontraszt MR ◦ Befecskendezett kontraszt anyag (vasoxid) zavart okoz a mágneses mezőben MRI szkenner mérni tudja. ◦ A jelek összefüggésben állnak a kontraszt anyag típusával és az agyi vérmennyiséggel. ◦ Növelhető az fMRI vizsgálatok hasznossága. ◦ A mai napig nincs olyan alternatív eljárás, amely ilyen érzékenységgel tudná jelezni az agyi változásokat. Megjelölt spin technika (ASL) ◦ Mágneses „jelölés” esetében a proximális vérellátás „megjelölt spin” technikát (ASL) használ. ◦ Kontraszt anyag nélküli perfúziós vizsgálat. ◦ Az eljárás több kvantitatív pszichológiai információt nyújt, mint a BOLD, és hasonló érzékenységgel rendelkezik a feladat-indukált változásokra nézve.
