Využití magneticko-rezonanční tomografie v měřicí technice. Ing. Jan Mikulka, Ph.D. Ing. Petr Marcoň

Transkript

1 Využití magneticko-rezonanční tomografie v měřicí technice Ing. Jan Mikulka, Ph.D. Ing. Petr Marcoň

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 m n, spinový m s a orbitální m l Základním předpokladem MR je existence nenulového jaderného magnetického momentu. elektron mn m l ms jádro orbitální dráha 7

8 Princip MR orientace momentů jader ve vnějším poli Stacionární homogenní pole z y x vzorek B 0 8

9 Princip MR experimentu Zpracování signálu 9

10 Relaxace z B 0 y x M B 11 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 10

11 MR spektroskopie (MRS) využitelný průměr 54 mm rezonanční kmitočet pro protony 800 MHz 11

12 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

13 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

14 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 14

15 MR zobrazování (MRI, MRT) 900 MHz, 21.2 T NMR Magnet, Birmingham, UK 15

16 MR tomografie (MRT, MRI) Principiální schéma tomografu pro MR zobrazování (MRI) 16

17 MR tomografie Gradienty pole 17

18 MR tomografie Gradientní pole: Excitační puls se šířkou spektra: Budicí impulz Výběr vrstvy: B z B0 z Gz z B Gz Δ 1 x,y B z B z = B 0 +G z z G z db dz z 0 z d F( ) S( ) MR signál 0 Δ 1 18

19 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 19

20 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 20

21 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) 21

22 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

23 Využití MR určení objemu 23

24 Využití MR rekonstrukce trojrozměrného tvaru 24

25 Měření nasáklivosti jehlic 3,243 mm 25

26 Intensity Integral / - Sledování růstu biologických tkání Zn 50 Zn 250 Zn 500 Zn 1000 Zn time / day 26

27 DTI - vizualizace rostlinných vláken

28 Měření magnetické susceptibility Měření neferomagnetických materiálů Metoda gradientního echa Fázový obraz

29 Výpočet magnetické susceptibility Idealizovaný tvar magnetické indukce B z (x) uvnitř a v okolí vzorku z paramagnetického materiálu m B max B B 0 min

30 Dosažené výsledky Vzorek t [ppm] m [ppm] d [%] Platinový váleček Hliníkový váleček Měděný váleček Bismutový váleček

31 Konec Děkuji za pozornost 31