Upload
vananh
View
234
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Podstawy tomografiimagnetyczno-rezonasowej
Stanisław KwiecińskiInstytut Fizyki JądrowejPAN
Optymistyczny plan
• Pole magnetyczne• Spin jądrowy i moment magnetyczny• Magnetyzacja wypadkowa• Precesja• Magnetyczny Rezonans Jądrowy (MRJ)• Impuls RF• Czasy Relaksacji• Sygnał MR i jego parametry
SygnałMR
• Gradienty pola magnetycznego• Wybór warstwy• Kodowanie częstości• Kodowanie fazy
ObrazMR
Popularne techniki obrazowania
fotografia
zdjęcie Roentgenowskie
obraz MR
Jak otrzymać sygnał MRobiekt
zmiennepole B1
polemagnetyczne B0
rezonans surowysygnał
Transf.Fouriera
„ładny”sygnał
Tomograf MR
Cewka RF
Magnes
Gradienty
Magnes : B0
Cewka RF : B1
Cewki gradientowe: Gx, Gy, Gz
Magnetyczny Rezonans Jądrowy
NMR – Nuclear Magnetic Resonance (NMR)MR – Magnetic Resonance – Rezonans Magnetyczny
Tomografia magnetyczno-rezonansowa
Tomografia – z jęz. greckiego tomos - przekrójgrafo - rysuję
Obraz przekroju otrzymany przy wykorzystaniuzjawiska magnetycznego rezonansu (jądrowego)
S
N
B0
Nuclear
Magnetic
Resonace
B1 SignalB0
Imaging
S
N
B0
Magnetyczny
Rezonans
Jądrowy
B1 Sygnał MRB0
Magnetic field
Some common examples
The Earth magnetic field(B 0.05 T)
The magnetic fieldlines of the bar magnet
Magnetic field
The magnetic field lines arounda long wire which carriesan electric current
The magnetic field linesaround circular loop throughwhich electric current flows
Różne rodzaje magnesów
1.5T, 3T, 7T 0.2-0.5T
Magnesy do zadań specjalnych
7, 9T 7 - 21T
Zadanie magnesu
Generowanie stałego pola magnetycznego Bo
Pole magnetyczne mierzymy w Teslach /T
Medyczne Tomografy MR maja pole 1.5T, 3T, 7T
Magnesy używane w laboratoriach generują pola nawet do 21T
W użyciu jest także stara jednostka pola Gauss / Gs
1T = 10000Gs
Pole ziemskie B 0.05 T
NuclearNuclear spin Jspin J
ParticleParticle performingperforming circularcircular motionmotion oror rotatingrotating aboutabout thethe axisaxis possespossesangularangular momentummomentum
RotatingRotating nucleusnucleus hashas itsits ownown angularangular momentummomentum calledcalled SPINSPIN
NUCLEAR SPIN J (NUCLEAR SPIN J (angularangular momentummomentum ofof aa nucleusnucleus))
JJ isis aa fundamentalfundamental propertyproperty ofof naturenatureJJ comescomes inin multiplesmultiples ofof 1/21/2 andand cancan bebe ++ oror –– (1/2,(1/2, --1/2, 3/2, 5/2,1/2, 3/2, 5/2, --7/27/2……))ProtonsProtons,, electronselectrons,, andand neutronsneutrons havehave JJ = 1/2.= 1/2.
NuclearNuclear spinspin NuclearNuclear magneticmagnetic momentmoment
Nucleus is a charged object (due to protons) – rotating nucleusgenerates a magnetic field
NuclearNuclear magneticmagnetic momentmoment μ
μ = γ * JNuclear magnetic moment isstrongly associated with nuclearspin although it is not the same
μ - nuclearmagnetic moment
γ - gyromagneticratio
J – nuclear spin
Answer: No only these nuclei which have J > O
Unfortunately nuclei with even number of protons andneutrons have J=0 and therefore μ = 0
No magnetic moment means no chance for doing NMR /MRIie 12C, 16O, 56Fe
Pairs of protons (or neutrons) within a nucleus can canceleach other out, so that only nuclei with an odd number ofeither protons or neutrons will have a net magnetic momentHydrogen 1H 1 proton 0 neutronLithium 7Li 3 protons 4 neutronsCarbon 13C 6 protons 7 neutronsPhosphorus 31P 15 protons 16 neutrons
NuclearNuclear magneticmagnetic momentmoment μQuestionQuestion:: DoesDoes everyevery nucleusnucleus havehave aa magneticmagnetic moment ?moment ?
C136
P3115
Li73
H11
MagnetisationMagnetisation ofof a spina spin populationpopulation
No net magnetization
SpinSpin populationpopulation inin magneticmagnetic fieldfield
N
S
From a largenumber of spins
We need onlyconsider thedifference thatmakes themajority
And this we canrepresent as asingle vector M(M -vector sum of allspin magnetizationvectors in a volumeelement)
M
MagnetisationMagnetisation ofof a spina spin populationpopulation
MagnetisationMagnetisation ofof a spina spin populationpopulation
The ratio of induced magnetizationThe ratio of induced magnetization MM totothethe applied fieldapplied field BB00 is 10is 10--99 1010--1010
MM == BB00 -- magnetic susceptibility.magnetic susceptibility.
M
B0
MagnetiMagnetissationation ofof a spina spin populationpopulation
Energy
Magnetic field strength B0
Spins antiparallelhigher energyless stable
Spins parallellower energymore stable
N+ / N- = exp (-E/kT)
SpinSpin energyenergy inin MagneticMagnetic FieldField
Jądro obdarzone momentemmagnetycznym oddziałowuje z
zewnętrznym polem magnetycznym Bo
Zjawisko Precesji
B0
Precesja
0 = B0
B0 /T Jądro Częstość(MHz)
0.5 1H 211 1H 42
1.5 1H 631 13C 111 31P 17
M
Zjawisko precesji spinu odkryte przez Larmora w 1895r.
Rezonans
Częstość zmiennegopola magnetycznegoB1 (generowanaprzez impuls RF)
Częstość zewnętrzna (wymuszająca) = Częstości wewnętrznej systemu
fzewnętrzna = fwewnętrzna
=Częstości precesji(Larmora)magnetyzacji M wokółpola B0
1 = 0
BB1 ┴ BB0
Przykład rezonansuKatastrofa Mostu Tacoma
7 listopad 1940 r. USA
fwiatr = fmost
Gradient coil Main Magnet
RF Coil
B0
RFRF CoilsCoilsGenerate the B1 field whichfield which excitesexcites thethe spinsspinstoto resonanceresonance andand detect thedetect the resonanceresonancesignalsignal..
To excite the resonance the B1 field must beperpendicular to the main magnetic field B0..
Application of RF pulse
Rodzaje cewek RF(generujących pole B1)
Doty Scientific
powierzchniowe
objętościowe
macierze NRC-IBD
GE
Philips G. C. Wiggins et al. 2005
GdaGdańńsk 1sk 1 –– 3.06.20063.06.2006 ESMRMBESMRMB SchoolSchool ofof MRI 2006MRI 2006
Cewka RFCewka RFtyputypu „„BirdBird CageCage””dla systemu 3Tdla systemu 3T
Dzięki uprzejmości prof. B.Tomanka – NRC Canada
Czasy Relaksacji
RF Excitation
Energy IN
RF Pulse
y
x
z,B0
M
Mz
B1
Mx,y
0
z,B0
x
y
M
M0
Mx,y
T1
T20
Energy OUT
TransverseMagnetizationDecays
LongitudinalMagnetizationRecovers
Relaxation proceses (Recovery)
Detekcja sygnaDetekcja sygnałłu MRu MR
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
Surowy sygnał(FID free induction decay)
z
y
x
Jak przetworzyć surowy sygnałMR aby był bardziej czytelny?
Surowy sygnał MR (FID)
Transformata Fouriera
„Ładny” sygnał
Sygnał MR przed i po transformacie Fouriera
Area under the curve, amplitude, are proportional to the number ofnuclei in the sample
The NMR signal width related to the transversal relaxation
Additional widening of the curve due to molecular motions, tunellingeffects , various couplings and interactions
* = 2/T2
0
NMR Signal and its parameters
Co możemy odczytać z sygnału MR ?
N
S
C C OHH
HH
H
H
FIDCH3
FIDCH2FIDOH
AA liquidliquid: C: C2H5OH
GdaGdańńsk 1sk 1 –– 3.06.20063.06.2006 ESMRMBESMRMB SchoolSchool ofof MRI 2006MRI 2006
Spektroskopia MR etanolu CH3CH2OH
-OH
-CH2 -
-CH3
Jak otrzymać obraz MR?
O tym w części drugiej
Podziękowania
Prof.Andrzej JasińskiDr Tomasz SkórkaDr Sylwia Heinze-PaluchowskaMgr Krzysztof JasińskiMgr Anna MłynarczykDr Katarzyna Majcher
Prof. Klaas PruesmannDr Michael Wyss
Prof.Boguslaw Tomanek
Dr Wladyslaw WeglarzDr Tomasz BanasikDr Piotr KulinowskiDr Artur KrzyżakMgr Urszula TyrankiewiczMgr Grzegorz Woźniak
Prof. Andre JESMANOWICZ Medical College Wisconsin, USADr. Christian KREMSER Innsbruck Medical University, AustriaProf. Ludvikas KIMTYS Vilnius University, Lithuania
DziDzięękujkujęębardzobardzo
za uwagza uwagęę