Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie

  • View
    74

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie. Joanna i ukasz Gut. Plan. Rezonans magnetyczny - na czym polega - MR puc Pompowanie optyczne 3 He - SEOP - MEOP - porwnanie Obrazowanie - sekwencja impulsw w zwykym MRI - sekwencja impulsw w MRI 3 He - PowerPoint PPT Presentation

Transcript

  • Pompowanie optyczne 3He Zastosowanie w medycynieJoanna i ukasz Gut

  • PlanRezonans magnetyczny - na czym polega- MR pucPompowanie optyczne 3He- SEOP - MEOP - porwnanie

    Obrazowanie- sekwencja impulsw w zwykym MRI - sekwencja impulsw w MRI 3He - tomografy - SNR Zastosowanie w medycynie diagnostyka

  • Magnetic ResonanceMapy gstoci jder wodoru lub innych pierwiastkw, ktrych jdra maj niezerowy moment magnetyczny 23Na, 31P,13C,19F.Prbk umieszczamy w silnym zew. polu magnetycznym rozszczepienie zeemanowskie podpoziomw jdrowych.Stosunek wartoci obsadze

    - obsadzenia podpoziomw zeemanowskich Stopie polaryzacjijest miar wypadkowego momentu magnetycznego prbki.

  • Opis makroskopowy - wektorowy moment magnetyczny jednostki objtoci, tzw. namagnesowanie MPrbk umieszczamy w cewce nadawczo-odbiorczej.Podajemy impuls rf o czstoci rezonansowej dopasowanej do rnicy jdrowych poziomw energetycznych 0=B0, wspczynnik giromagnetyczny, B0 indukcja zewntrznego pola magnetycznego.W wyniku impulsu obrt M o pewien kt wzgldem B0.MR

  • M precesuje, Mxy indukuje w cewce odbiorczej sygna FID free induction decay (sygna swobodnej precesji).Sygna zanika po pewnym czasie, namagnesowanie wraca do pooenia pocztkowego.Amplituda informacja o gstoci jderCzas zaniku informacja o otoczeniu chemicznym

    MR

  • MRIDescription: animated sequence of saggital transections through the human brain. The nose is to the left.Source: this is my very own brain. MRI, 10/13/2000Author: Christian R. Linder

  • MRIMade from an fMRI scan I had done.Goes from the top of my brain straight through to the bottom. That little dot that appears for a second on the upper-left hand sideis a vitamin E pill they taped to the side of my head to make surethey didn't accidentally swap the L-R orientation.

  • MR pucStopie polaryzacji P ~ 10-6 dla pola ~ 1T, w temp. pokojowej, ale wystarczajcy dla gstych prbek (tkanki mikkie).Puca obszar o maej gstoci, podczas wydechu oglna gsto ~ 0,3 g/cm3 rednie namagnesowanie zbyt mae.Sposb na MR puc wypeniamy je hiperspolaryzowanym (HP) gazem, stopie polaryzacji P do 80 %.Uywane 2 stabilne izotopy o spinie jdrowym - 3He i 129Xe.1H3He

  • Polaryzacja 3HePompowanie optycznePompowanie optyczne 3HeSEOPMEOPSpin-Exchange Optical PumpingMetastability-Exchange Optical Pumping wymiana spinu znapompowanymi optycznieparami gazu alkalicznegobezporednie pompowanie helu+ wymiana metastabilnoci

  • SEOPMoliwe dla dowolnego gazu szlachetnego o niezerowym spinie jdrowym; w szerokim zakresie cinie - do 10 atm*.W komrce gaz szlachetny z niewielk domieszk N2 + ok. 0,5 g metalu alkalicznego, najczciej Rb. Faza 1 OP Rb schemat na rysunku poniej.Schemat depopulacji OP w Rb*Poyteczny link zamiana jednostek cinienia: http://www.lw.cad.pl/jedn/jedn_cisn.htm

  • SEOPFaza 2 zderzenia spolaryzowanego Rb z 3He przekrycie funkcji falowych elektronu walencyjnego Rb i jdra 3He wymiana spinuPo zderzeniu atom Rb pompowany ponownie (OP jest cige) Stopie polaryzacji 3He jest eksponencjaln f-cj czasu- wspczynnik podunej relaksacji 3He pod nieobecno Rb- stopie polaryzacji spinu e- w Rb wyredniowany po t i V- wspczynnik wymiany spinu ~ do iloci atomw Rb

  • MEOPBezporednie pompowanie gazu szlachetnegoFaza 1 OP 3He:- przeniesienie atomw ze stanu podstawowego 11S0 do stanu metatrwaego 23S1, wyadowanie rf bo przejcie optycznie wzbronione- OP z wykorzystaniem przejcia 23S1 (F=) > 23P0 (F=)

  • MEOPRozszczepienie podpoziomw zeemanowskich w sabym zewntrznym polu magnetycznym B0.Komrk z gazem, w ktrej zachodzi wyadowanie rf owietlamy wiatem spolaryzowanym + o d. 1083 nm Wynik OP zwikszenie obsadzenia podpoziomu 23S1 o mF=+ rwnoznaczne z polaryzacja cakowitego spinu atomu: powoka elektronowa + jdro (sprzenie nadsubtelne)

  • MEOPFaza 2 zderzenie z wymian metatrwaoci, bo do obrazowania potrzebujemy spolaryzowanego 3He w stanie podstawowym.Spolaryzowany atom w stanie metatrwaym 23S1 zderza si z z niespolaryzowanym atomem w stanie podstawowym 11S0. Wynik zderzenia atom spolaryzowany jdrowo w stanie podstawowym 11S0 (F= , mF=+) i atom niespolaryzowany w stanie metatrwaym 23S1, ktry moe by ponownie spolaryzowany.

  • MEOPSchemat ukadu do polaryzacji optycznej 3He

    3He w komrce pod cinieniem 1-10 Tr (1 Tr = 0,00136 atm) , std konieczno kompresji o czynnik ~ 100, aby uzyska cinienie atmosferyczne.

  • SEOP a MEOPSEOPEfektywno polaryzacji w zderzeniach Rb 3He ~ 0,05Czas potrzebny na polaryzacj ~ kilku godzinNie ma koniecznoci kompresjiTaszy laserBardziej mobilny ukadMEOPEfektywno polaryzacji w zderzeniach 3He 3He ~ 1Czas potrzebny na polaryzacj ~ kilka dziesitych sekundyKonieczno kompresjiDroszy laserMniej mobilny ukad

    Porwnanie za H.E. Mller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)

  • Obrazowanie Sekwencja impulsw w zwykym MRIM ma kierunek osi z.Po impulsie /2 M ma kierunek osi y.Wskutek rozsypywania si M w wachlarz sygna zanika.Ukad po impulsie .Ukad po czasie od impulsu , M indukuje echo spinowe.Zachowanie si magnetyzacji M w ukadziewirujcym.

  • Obrazowanie Sekwencja impulsw w MRI 3HeZasada otrzymywania obrazu jest analogiczna jak w zwykym protonowym MR.Zasadnicz rnic jednak zauwaa si w stosowanych metodach impulsowych do wyprowadzenia wektora magnetyzacji z pooenia rwnowagowego.W przypadku 3He nie mona zastosowa standardowej sekwencji echa spinowego (/2 ) gdy po przeprowadzeniu magnetyzacji na paszczyzn xy, nie ma moliwoci powtrzenia sekwencji bez wprowadzenia nowej porcji spolaryzowanego optycznie helu (skutek brak zwizku polaryzacji P i pola B0).Do obrazowania spolaryzowanym 3He, stosuje si zatem inn sekwencj z echem gradientowym i ze wzbudzeniem niskoktowym (sekwencj FLASH).

  • Echo gradientoweW odrnieniu od echa spinowego wywoane jest poprzez przyoenie pl gradientowych G1 i G2 o przeciwnych kierunkach.Przyoenie dodatniego (G1>0) gradientu skutkuje rozfazowaniem spinw. Przyoenie po pewnym czasie gradientu przeciwnego (G2
  • Sekwencja FLASHKonieczno stosowania impulsw niskoktowych (
  • Tomografy Rne parametry techniczne elementw tomografuInna czsto pola generowanego przez cewki 0=B0:- dla 1H 0/2= 48 MHz/T- dla 3He 0/2= 32,4 MHz/T W przypadku 3He nie ma koniecznoci uycia wysokich pl B0 stopie polaryzacji nie zaley od wartoci pola.

    Zasada konstrukcji tomografw dla 3He i protonw taka samaTomograf MRI[gr. toms city, tncy, grph pisz]

  • Tomograf 3HeUkad do obrazowania MR z magnesem staym(stosowane pole B0 ~ 0,088 T osigane jest przez magnesy stae)Dodatkowa zaleta SNR niezalene od 0 dla HP MR

  • SNRHP MRMRPolaryzacja nierwnowagowaSNR nie zaley od 0SNR ~ 0Polaryzacja rwnowagowavs.N ~ 0 dla czstoci 0/2 powyej kilku MHz (experience shows)

  • DiagnostykaObrazowanie zmian chorobowych u chorych na astm

  • DiagnostykaObrazowanie zmian u osb palcychPuca osoby niepalcejPuca osoby palcej

  • DiagnostykaObrazy 3D

  • DiagnostykaBadanie przepywu gazu

  • BibliografiaK. Cielar, T. Dohnalik, Postpy Fizyki 55, 123 (2004)H.E. Mller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)J.Stankowski, W. Hilczer, Pierwszy krok ku radiospektroskopii rezonansw magnetycznych, OWN Pozna 1994, str. 9-53

    Dzikujemy Bartkowi Gowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium!

  • KoniecDzikujemy za uwag!