Magnetická rezonance Přednáška v rámci projektu IET1

Transkript

1 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.

2 Osnova Podstata nukleární magnetické rezonance (MR) Historie vývoje MR Spektroskopie MRS Tomografie MRI Využití MR v technické a lékařské praxi 2

3 (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 Isidorem Rabim, technika MR bylas pak zdokonalena r nezávisle Felixem Blochem a Edwardem Purcellem Zpočátku byla NMR používána pouze jako spektroskopická metoda v chemickém výzkumu analýza struktury molekul V r 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

4 První celotělový MR tomograf 4

5 První MRI experiment na člověku Trvání experimentu asi 5 hodin. 5

6 První MRI experiment na člověku 6

7 Model atomu V Bohrově modelu atomu jsou naznačeny magnetické momenty: jaderný µ n, spinový µ s a orbitální µ l Základním předpokladem MR je existence nenulového jaderného magnetického momentu. µ µ l n µ S 7

8 NMR spektrometr (MRS) využitelný průměr 54 mm rezonanční kmitočet pro protony 800 MHz 8

9 Princip MR orientace momentů jader ve vnějším poli Stacionární homogenní pole z y x 9

10 Princip MR vznik precesního pohybu Energetický rozdíl pro m = ±1/2 = hf = γ ( h ) B E 2π 0 Larmorova rovnice ω = γ B f 0 0 ω = = 2π ( γ ) 2π B B 0 jádro se spinem ω0 = γ B0 10

11 Princip MR experimentu Excitace vf pulzem Sklopení vektoru magnetizace do tranzverzální roviny 11

12 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

13 Princip MR experimentu Snímání vf signálu vzorek VF snímání B 0 13

14 Princip MR experimentu Zpracování signálu 14

15 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

16 MR aktivní prvky 16

17 Relaxace z B 0 y x M B 11 ω 0 B 1 B 12 Relaxace Spin-mřížková relaxace (longitudální) Spin-spinová relaxace (transverzální) M z t M 0 1 e t T1 ( ) = t 2 ( ) = e T 0 M t M 17

18 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

19 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

20 MR zobrazování (MRI, MRT) MRI Magnetic Resonance Imaging pro zobrazování se navíc k poli B 0 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

21 MR zobrazování (MRI, MRT) 900 MHz, 21.2 T NMR Magnet, Birmingham, UK 21

22 MR tomografie Gradienty pole 22

23 MR tomografie Gradientní pole: Excitační puls se šířkou spektra: Budicí impulz ω B ( z) = B0 + z Gz Výběr vrstvy: ω z = ω = γ B γ Gz ω 1 x,y B z B z = B 0 +G z z G z = db dz ω 1 ω 0 0 z 0 z d F(ω) S(ω) MR signál ω 0 ω 1 ω 23

24 MR tomografie Transformace prostor - kmitočet 24

25 MR tomografie Postup MRI experimentu: výběr vrstvy (pomocí gradientu G z ) vf excitace prostorové zakódování souřadnic x-y pomocí gradientů G x a G y snímání signálu echa Zpracování záznamu pomocí inverzní Fourierovy transformace a převod do 2D obrazu 25

26 MR tomografie (MRT, MRI) Principiální schéma tomografu pro MR zobrazování (MRI) 26

27 Různé metody MRI Existuje celá řada používaných zobrazovacích metod. Ty dávají rozdílný kontrast (tzv. váhování obrazu) - příklady: Koncentrace jader Metoda spin-echo (SE) Relaxační časy T 1 a T 2 Metoda SE s volbou TE a TR Difúze Metoda vícepulsní SE s volbou TE Pohyby, rychlosti průtoku Metoda SE s +G a G Lokalizovaná spektroskopie Metody STEEM, PRESS Homogenita mag. Pole Metoda SE fázový obraz 27

28 Metoda SE spinové echo π/2-puls rozfázování π/2-puls sfázování 28

29 Metoda GE gradientní echo Rozfázování a sfázování pomocí gradientu 29

30 orovnání obrazů SE a GE Aplikace SE T2 Aplikace GE T2 (ms) (ms) Srovnání obrazů relaxační doby T 2 získaných pomocí techniky SE a GE. 30

31 Kontrast v MR obrazech Kromě volby metody záleží i na časování měřicí sekvence, zejména na volbě echo-času T E (době mezi excitací a snímáním signálu FID). Příklad: plod kiwi snímaný metodou SE pro různé echočasy. T E = 4ms T E = 15 ms T E = 50 ms 31

32 MRI Měřením podélné a příčné magnetizace lze dosáhnout zvýraznění různých tkání V závislosti na tom, zda T R a T E jsou dlouhéči krátké lze přisoudit větší vliv podélné (různé poč. hodnoty magnetizace) -T 1 -weighted, či příčné -T 2 -weighted magnetizaci T 1 -weighted T R je krátké (500ms) T 2 -weighted T R je dlouhé (>3s) 32

33 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

34 CT počítačová tomografie Využívá ionizující rentgenové záření Pohybující se kamera+zdroj záření vytvářejí řezy objektem tělem Počítač skládá tyto řezy do výsledného obrazu Vyšetření 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 Běžná efektivní dávka (msv) CT vyšetření tlustého střeva 3,6-8,8 34

35 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

36 Využití MR Medicína (MR tomografie, MR mikroskopie, MR spektroskopie C 13, deuterium, P 31 ) Chemie MR spektroskopie, zjišťování struktury molekul, Nedestruktivní diagnostika Průzkum vrtů (plyn, ropa) 36

37 Konec Děkuji za pozornost 37