Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Υδρογόνου: Απεικόνιση και Διαχωρισμός Νερού και Λιπιδίων Ελένη Καλδούδη Προσκεκλημένη Ομιλία στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αθήνα, 23 Νοεμβρίου 1994
μαγνητική τομογραφία απεικόνιση της κατανομής των υδρογόνων στους ιστούς εξάρτηση αντίθεσης από το είδος του ιστού και την φυσική του κατάσταση
ιστορική αναδρομή 1946 φαινόμενο πυρηνικού μαγνητικού Bloch & Purcell 1952 Nobel φυσικής στους Bloch & Purcell http://chem.ps.uci.edu/~ajshaka 1970 ανάπτυξη και χρήση ως αναλυτική μέθοδος μελέτης μοριακής δομής 1972 υπολογιστική τομογραφία 1973 πρώτη μαγνητική τομογραφία με μέθοδο οπισθοπροβολής - Lauterbur 1975 μαγνητική τομογραφία με ανακατασκευή Fourier - Ernst 1976 πρώτη μαγνητική τομογραφία ανθρώπου (δάχτυλο) Mansfield
ιστορική αναδρομή 1980 κλινική εφαρμογή μαγνητικής τομογραφίας για απεικόνιση ολόκληρου σώματος - Edelstein (~5 min) 1986 μαγνητική τομογραφία με Gradient Echο (~ 5 sec) μικροσκοπία - People (ανάλυση 10μm σε δείγμα 1 cm) 1988 μαγνητική αγγειογραφία - Dumoulin 1989 μέθοδος Echo-Planar (~ 30 ms) 1991 Nobel χημείας στον Ernst 1992 απεικόνιση εγκεφαλικής λειτουργίας 1994 απεικόνιση άλλων πυρήνων 129 Xe Imaging
βασικά στοιχεία μαγνητικής τομογραφίας περιβάλλον ισχυρού μαγνητικού πεδίου ~0.00006 T 0.35-2 T (0.1-14 T) παλμός ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ραδιοκύματα) 15-80 MHz (4-600 MHz) ανίχνευση ηλεκτρεγερτικής δύναμης
σπιν ηλεκτρόνιο πρωτόνιο νετρόνιο - + κάθε αζευγάρωτο σωματίδιο έχει σπιν = 1/2 πυρήνες με : σπιν 1 αζευγάρωτο σωματίδιο : x/2 1 ζευγάρι πρωτόνιο-νετρόνιο : x ζεύγη πρωτονίων & νετρονίων : 0 1/2 1 1/2 0
σπιν και μαγνητική ροπή 1 H μ? μ πυρηνική μαγνητική ροπή μ γ γ γυρομαγνητικός λόγος ανάλογο του λόγου (φορτίο / μάζα) z μ z x y ή μ z γ χαρακτηριστική τιμή για κάθε πυρήνα για το πρωτόνιο: 42.598 MHz T -1
σπιν σε μαγνητικό πεδίο B o ω ω μ z μ xy z B o x y ω συχνότητα συντονισμού ω = - γ Βο ν = - (γ/2π) Βο συχνότητες συντονισμού σε ΜHz 1 Η: 13 C: 31 P: 0.5 T 21 5 9 1.0 T 64 16 26 2.0 T 80 21 35
πληθυσμός σπιν σε μαγνητικό πεδίο B o x z y Σ Σ μ z = 0 μ xy = 0 B o x z y Σ Σ μ z = M o μ xy = 0 λίγο μετά την εφαρμογή του Β ο ΔΝ γ h B o 1 ------ ------------ ------ Ν 4 π k T 10 6
μαγνητικό πεδίο B o και RF παλμός B 1 z M z = M 0 B o x y ω z μ xy B o B 1 x z y ω M z = 0 B o x y M xy
μαγνητικό πεδίο B o και RF παλμός B 1 z πριν το Β 1 B o B 1 x y z z αμέσως μετά το Β 1 z = x y x y
συντονισμός αλληλεπίδραση συστήματος με διαταραχή συχνότητα διαταραχής = ιδιοσυχνότητα συστήματος σύστημα ιδιοσυχνότητα συστήματος διαταραχή συχνότητα διαταραχής πυρήνες με μαγνητική ροπή συχνότητα μετάπτωσης ω ο παλμός ηλεκτρομαγνητικού κύματος Β 1 συχνότητα παλμού ΝΜR συχνότητα Β 1 = ω 0
βασικά βήματα στο πείραμα ΝΜR 1. προετοιμασία των πυρήνων δημιουργία συνισταμένης μαγνήτισης με Bo 2. δημιουργία ανιχνεύσιμης μαγνήτισης μεταφορά μαγνήτισης στο εγκάρσιο επίπεδο Β1 3. ανίχνευση εγκάρσιας μαγνήτισης μέτρηση εναλλασσόμενου ρεύματος από επαγωγή
παλμός μαγνητικού πεδίου B 1 z B o θ M o χαρακτηριστικά παλμού B 1 y συχνότητα ένταση χρόνος εφαρμογής ω ο Β 1 MHz μτ t θ μs x γωνία πρόσπτωσης θ = γ Β 1 t θ (tip or flip angle)
είδη παλμών παλμός ανάγνωσης read-out pulse δημιουργία ανιχνεύσιμης συνιστώσας μαγνήτισης Μ xy παλμός προετοιμασίας preparation pulse (inversion, saturation, refocusing, etc) αναστροφή διαμήκους μαγνήτισης Μ z κορεσμός διαμήκους μαγνήτισης M z συγχρονισμός εγκάρσιας μαγνήτισης M xy...
συνιστώσες μαγνήτισης διαμήκης μαγνήτιση Μ z προετοιμασία του συστήματος πυρήνων εγκάρσια μαγνήτιση Μ xy ανίχνευση σήματος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού
διαμήκης μαγνήτιση Μ z M ο = M z σε θερμική ισορροπία M z z x y για σπιν 1/2 M o = Σ γ 2 h 2 μ z = Δn μ z = --------------- Ν Β ο 16 π 2 k T 1 cm 3 νερό 1.5 Τ ~20 ο C 10-12 Am -1 σήμα ~ μv
διαμήκης χαλάρωση - Τ1 επαναφορά της διαμήκους μαγνήτισης στην τιμή θερμικής ισορροπίας οφείλεται σε αλληλεπίδραση σπιν με κρυσταλλικό πλέγμα spin-lattice or longitudinal relaxation time έντονη αλληλεπίδραση με το πλέγμα έντονη διαμήκης χαλάρωση μικρός χρόνος χαλάρωσης Τ1
σήμα και ανακατασκευή 90 o πομπός RF στο xy χρόνος νερό δέκτης RF στο xy χρόνος σήμα στον ανιχνευτή μετασχηματισμός Fourier συχνότητα φάσμα συχνοτήτων
το σήμα στο NMR
δειγματοληψία T Fmax = 1/2T
ένταση ένταση μετασχηματισμός Fourier μετατροπή από το πεδίο χρόνου στο πεδίο συχνοτήτων χρόνος FT ω α ω β ω γ συχνότητα πεδίο χρόνου πεδίο συχνοτήτων
= σήμα με πολλές συχνότητες = FT ω α ω β ω γ
χρόνος Τ1 Μ z = M o (1 - e -t/t1 ) Μ z /M o 1 0.63 μετά από παλμό 90 ο ή μετά την εφαρμογή εξωτερικού T1(A) T1(B) t πεδίου Β ο
εγκάρσια χαλάρωση - Τ2 διασκορπισμός της εγκάρσιας μαγνήτισης οφείλεται σε αλληλεπίδραση σπιν με σπιν spin-spin or transverse relaxation time έντονη αλληλεπίδραση σπιν με σπιν έντονη εγκάρσια χαλάρωση μικρός χρόνος χαλάρωσης Τ2
εγκάρσια χαλάρωση και σήμα διασκορπισμός της μαγνήτισης στο xy επίπεδο απώλεια του σήματος Μ xy Μ xy Μ xy σήμα με T2 = σήμα με T2 ~ ms
χρόνος Τ2 Μ xy /M o Μ xy = M o e -t/t2 1 0.37 Τ2 - αλληλεπίδραση με σπιν Τ2* - ανομοιογένειες πεδίου T2(A) T2(B) t Τ2* < Τ2
ηχώς των σπιν - παλμοσειρά spin-echo πομπός 90 o 180 o χρόνος ΤΕ/2 ΤΕ/2 ΤΕ/2 180 o y δέκτης T2 ΤΕ/2 T2* χρόνος
ηχώς των σπιν t = 0 t = TE/2 αμέσως μετά τον παλμό συγχρονισμού t = ΤΕ t = TE/2
επαναφορά μαγνήτισης Τ2 < Τ1
εξάρτηση χρόνων χαλάρωσης είδος πυρήνων είδος μορίων στα οποία βρίσκονται συνδεδεμένα συχνότητα διαταραχών τοπικού μαγνητικού πεδίου κατάσταση της ύλης (ιξώδες) ένταση στατικού μαγνητικού πεδίου
ενδεικτικές τιμές χρόνων χαλάρωσης ιστός Τ1 Τ2 νερό ΕΝΥ αίμα μύες φαιά ουσία λευκή ουσία ήπαρ λίπος 2500 2000 800 600 520 390 270 180 2500 300 180 40 100 90 50 90 χρόνοι χαλάρωσης σε ms για στατικό μαγνητικό πεδίο 1.0 Τ περιεκτικότητα σε νερό θερμοκρασία στατικό πεδίο
χημική μετατόπιση ω e = γ e B o Β ο φαινόμενο προάσπισης ηλεκτρονίων μ e Β eff = (1-σ) Β ο CH 3 CH 3 TMS Si CH 3 CH 3 ω - ω ref δ = ---------------- x 10 6 ω ref ppm = parts per million
χημική μετατόπιση δ 3.6 ppm H Ο H H 2 CΟ Ο C R1 HCΟ Ο C R2 H 2 CΟ Ο C R3 λίπος νερό
σήμα και ανακατασκευή πομπός RF στο xy χρόνος δέκτης RF στο xy χρόνος συχνότητα δέκτης RF στο xy χρόνος συχνότητα
φασματοσκοπία και τομογραφία διαχωρισμός και ποσοτικός προσδιορισμός του είδους των πυρήνων μέσα σε (άγνωστο) δείγμα μελέτη χημικής δομής ύλης http://www.fccc.edu/research/reports/report95/ απεικόνιση της κατανομής ενός είδους πυρήνων στον χώρο μελέτη της εσωτερικής χωρικής δομής της ύλης
απεικόνιση με βαθμίδωση πεδίων z B o x συχνότητα z B o + B(x) x συχνότητα
ένταση βαθμίδωση B(x) max G x - FOV/2 απόσταση κλίση ή βαθμίδωση FOV/2 10-25 mt/m -B(x) max B(x) = x G x
τομογραφικές μέθοδοι Δs κωδικοποίηση συχνότητας κωδικοποίηση φάσης Δs = πάχος τομής
επιλογή τομής z Δz Δω Δz G z ω(r) = γ (B o + r G r ), r = x, y ή z Δω Δr = -------- γ G r
παλμός επιλογής συχνοτήτων χρόνος 2/τ = Δω συχνότητα τ sinx παλμός sinc(x) = -------- x
επιλογή τομής 90 o RF παλμός Β 1 z G z βαθμίδωση Β ο για την επιλογή τομής σήμα
επιλογή τομής 90 o 180 o RF παλμός Β 1 z G z βαθμίδωση Β ο για επιλογή τομής σήμα
κωδικοποίηση συχνότητας y G y x
κωδικοποίηση συχνότητας 90 o RF παλμός Β 1 z G z τομή y βαθμίδωση Β ο κωδ. συχνότητας σήμα
κωδικοποίηση φάσης y y G x x x
κωδικοποίηση φάσης 90 o 180 o RF παλμός Β 1 z G s τομή y G f συχνότητα x G p βαθμίδωση Β ο για κωδικοποίηση φάσης Ν επαναλήψεις σήμα
απεικόνιση με βαθμίδωση πεδίων 90 o 180 o 90 o ωο = γ Βο RF Β(r) = B o + r G r ΤΕ/2 ΤΕ/2 τομή TR ω(r) = γ Β ο + γ G r r συχνότητα φ(r) = γ Β ο t + γ G r t r φάση Ν Ν επαναλήψεις διάρκεια = TR * Ν
κωδικοποίηση σε 3 διαστάσεις κωδικοποίηση φάσης κωδικοποίηση συχνότητας κωδικοποίηση φάσης
παλμοσειρά 3D κωδικοποίησης RF 90 o 180 o 90 o φάση ΤΕ/2 Μ ΤΕ/2 TR φάση Ν διάρκεια TR * Ν * Μ συχνότητα Μ * Ν επαναλήψεις
χαρακτηριστικά εικόνας Δk = γ ΔG ΔΤ διαστάσεις πεδίου απεικόνισης field-of-view FOV = 1/Δk διαστάσεις εικονοστοιχείου pixel size PS = 1/2NΔk για μικρό πεδίο απεικόνισης & μικρή διάσταση εικονοστοιχείου χρειάζεται αύξηση έντασης βαθμίδωσης G ή χρονικής διάρκειας Τ
χαρακτηριστικά εικόνας σήμα (S) ανάλογο ω ο2 : στατικό μαγνητικό πεδίο V : στοιχειώδης όγκος μικρές τιμές B o S/N ω ο 3/2 ή ω ο 7/4 θόρυβος (N) ανάλογος στατικό μαγνητικό πεδίο μεγάλες τιμές B o S/N ω
αντίθεση στην μαγνητική τομογραφία φυσικά μεγέθη Τ1 Τ2 πυκνότητα κίνηση παράμετροι απεικόνισης ΤΕ ΤR TI κ.α. ιστός T 1 (s) T 2 (ms) ρ* ΕΝΥ 0.8-20 110-2000 70-230 λευκή 0.76-1.08 61-100 70-90 φαιά 1.09-2.15 61-109 85-125 μυς 0.95-1.82 20-67 45-90 υποδόρειο 0.2-0.75 53-94 50-100 σε πεδίο 1.5 Τ http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/mri-main.htm *με βάση ρ =111 για 12mM NiCl 2
παλμοσειρά spin-echo 90 o 180 o ΤR 90 o RF ΤΕ τομή συχνότητα φάση
παλμοσειρά spin-echo πολλαπλών τομών s1 s2 s3 s4 s1 ΤR 180 o 180 o 180 o 180 o 90 o 90 o 90 o 90 o 90 o RF τομή συχνότητα φάση
ιδιαιτερότητες μαγνητικής τομογραφίας μη επεμβατική μέθοδος διακριτική ικανότητα χωρίς θεωρητικά όρια δυνατότητα εκμετάλευσης βασικής αρχής με πληθώρα με μεθόδων δυνατότητα τομογραφικής απεικόνισης σε οποιοδήποτε προσανατολισμό δυνατότητα άμεσης απεικόνισης στοιχειώδους κυψέλης...
ιδιαιτερότητες μαγνητικής τομογραφίας αντίθεση εικόνας που εξαρτάται από πυκνότητα πυρήνων χημική μετατόπιση τοπικά μαγνητικά πεδία χρόνους επαναφοράς θερμοκρασία μακροσκοπική και μικροσκοπική κίνηση
διαχωρισμός λιπιδίων και νερού - γιατί? ανάδειξη κατανομής λιπιδίων και ποσοτικές μετρήσεις δυναμικό εύρος ηλεκτρονικού συστήματος δέκτη λίπος νερό παραμόρφωση εικόνας λόγω χημικής μετατόπισης
ποσοτικές μετρήσεις λιπώδες σώμα οπτικό νεύρο φαινόμενο μερικού όγκου
δυναμικό εύρος ψηφιακή εύρος αναλογικό σήμα ψηφιακή εύρος αναλογικό σήμα 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 4-bit ADC ~7:1 12-bit ADC ~2000:1
ψευδένδειξη χημικής μετατόπισης ω1(νερό) ω1(λίπος) ω2(νερό) Β(x) ω2(λίπος) x1 x2 απόσταση (x) λίπος νερό Β(x) απόσταση (x) κωδικοποίηση συχνότητας
διαχωρισμός λιπιδίων και νερού δ 3.6 ppm μέθοδοι με βάση διαφορές χρόνων χαλάρωσης >CH 2 -CH 3 χημική μετατόπιση γραμμική σύζευξη διαφορές διαφόρων φυσικών παραμέτρων H 2 CΟ HCΟ H 2 CΟ Ο C Ο C Ο C R1 λίπος R2 R3 νερό H Ο H
διαφορές χρόνου χαλάρωσης Τ1 Μ z /M o λίπος Τ1 ~ 200 ms 1 νερό Τ1 ~ 500-3000 ms t -1 TI = 0.69 T1 μετά από παλμό 180 ο Μ z = M o (1-2e -t/t1 )
παλμοσειρά inversion-recovery RF ΤI 180 o 180 o 180 o 90 o ΤR τομή ΤΕ συχνότητα φάση
παλμοσειρά inversion-recovery πολλαπλών τομών 180 o 90 o 180 o ΤI SE ΤR 1 2 3 1 2 1 2 ΤI ΤI ΤI 3 3 ΤR 180 o 1 2 1 1 2 2 3 4 3 3 4 4 5 5 5 180 o ΤR
σήμα μέθοδος μηδενικού σημείου λίπος νερό ΤΙ καταστολή σήματος με inversionrecovery καταστολή λίπους καταστολή νερού http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/mri-main.htm
μέθοδος μηδενικού σημείου + δεν απαιτεί υψηλό ή ιδιαίτερα ομοιγενές στατικό μαγνητικό πεδίο + πολλαπλές τομές + εικόνες με υψηλή αντίθεση Τ1 - απαιτεί γνώση των Τ1 - πιθανώς χαμηλή σηματοθορυβική σχέση - καταστολή σήματος μόνο από περιορισμένο εύρος τιμών Τ1
χημική μετατόπιση - επιλεκτικός συντονισμός συχνότητας RF 90 o 180 o παλμός επιλογής συχνότητας τομή ΤΕ συχνότητα φάση
χημική μετατόπιση - επιμέρους κορεσμός συχνότητας παλμός επιλεκτικού κορεσμού συχνότητας RF 90 o 90 o 180 o τομή συχνότητα φάση
χημική μετατόπιση - φασματοσκοπική απεικόνιση πληροφορία συχνότητας για φασματοσκοπία κωδικοποίηση φάσης στις 3 διευθύνσεις
παλμοσειρά φασματοσκοπικής απεικόνισης RF 90 o 180 o 90 o φάση ΤΕ/2 Μ ΤΕ/2 TR φάση Ν διάρκεια TR * Ν * Μ* Κ φάση Κ Κ * Μ * Ν επαναλήψεις
cite as E. Καλδούδη, Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Υδρογόνου: Απεικόνιση και Διαχωρισμός Νερού και Λιπιδίων, Προσκεκλημένη Ομιλία, Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ, Αθήνα, 23 Νοεμβρίου 1994