Využití magneticko-rezonanční tomografie v měřicí technice Ing. Jan Mikulka, Ph.D. Ing. Petr Marcoň
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 mn, spinový ms a orbitální ml • Základním předpokladem MR je existence nenulového jaderného magnetického momentu. elektron
mn
ml
mS
jádro
orbitální dráha
7
Princip MR – orientace momentů jader ve vnějším poli Stacionární homogenní pole
z
y
x
vzorek
B0
8
Princip MR experimentu Zpracování signálu
9
Relaxace z
B0
x
M
y
B11
0 B1
B12
Relaxace • Spin-mřížková relaxace (longitudální) • Spin-spinová relaxace (transverzální)
t M z t M 0 1 e T1
M t M 0 e
t T2
10
MR spektroskopie (MRS)
• využitelný průměr 54 mm • rezonanční kmitočet pro protony 800 MHz 11
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
12
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
13
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
14
MR zobrazování (MRI, MRT)
• 900 MHz, 21.2 T NMR Magnet, Birmingham, UK
15
MR tomografie (MRT, MRI)
Principiální schéma tomografu pro MR zobrazování (MRI) 16
MR tomografie Gradienty pole
17
MR tomografie Gradientní pole:
B z B0 z Gz
Excitační puls se šířkou spektra:
B x,y
Výběr vrstvy:
z Gz
Bz Bz = B0+Gz z
Δ1
Budicí impulz
dB Gz dz
1 0
0
z
z0 d
F()
S() MR signál
0
Δ1
18
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
19
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
20
Využití MR
• Medicína (MR tomografie, MR mikroskopie, MR spektroskopie – C13, deuterium, P31) • Chemie – MR spektroskopie, zjišťování struktury molekul, • Nedestruktivní diagnostika • Průzkum vrtů (plyn, ropa)
21
Využití MR – určení objemu
• Metoda vhodná k určení objemu uvnitř objektu. • Rekonstrukce z řezů/objemu. • Výpočet objemu (tloušťka řezu, velikost pixelu). • Měření magnetické susceptibility neferomagnetických materiálů
22
Využití MR – určení objemu
23
Využití MR – rekonstrukce trojrozměrného tvaru
24
Měření nasáklivosti jehlic
3,243 mm
25
Sledování růstu biologických tkání
700
Intensity Integral / -
600 0 Zn
500
50 Zn
400
250 Zn 300
500 Zn
200
1000 Zn
100 0 0
10
20
30
40
time / day
26
DTI - vizualizace rostlinných vláken
Měření magnetické susceptibility • Měření neferomagnetických materiálů • Metoda gradientního echa • Fázový obraz
Výpočet magnetické susceptibility • Idealizovaný tvar magnetické indukce Bz(x) uvnitř a v okolí vzorku z paramagnetického materiálu B m axBm in m B0
Dosažené výsledky Vzorek Platinový váleček Hliníkový váleček Měděný váleček Bismutový váleček
t [ppm]
m [ppm]
d [%]
265.0
269.0
1.32
22.0
22.3
1.26
-9.2
-9.3
1.30
-166.0
-168.0
1.29
Konec Děkuji za pozornost
31
