Upload
chastity-walls
View
74
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
TECHNICKÉ PROSTRIEDKY MEDICÍNY. Magnetická rezonancia. Zobrazovanie metódou nukleárnej magnetickej rezonancie NMR - MRI. Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
TECHNICKÉ PROSTRIEDKY MEDICÍNY
Magnetická rezonancia
2Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
Zobrazovanie metódounukleárnej magnetickej rezonancie
NMR - MRI
3
Nobelova cena 1952 za fyziku„Development of new ways and methods
for nuclear magnetic precision measurements“
Felix Bloch1905 – 1983Švajčiarsko
Edward Mills Purcell1912 – 1997
USA
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
4
Nobelova cena 1991 za chémiu
"for his contributions to the development of the methodology
of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy"
Richard R. Ernstnar. 1933
Švajčiarsko
Nobelova cena 2002 za chémiu
"for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining
the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution"
Kurt Wüthrichnar. 1938
Švajčiarsko
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
5
Nobelova cena 2003 za fyziológiu"for their discoveries concerning Magnetic Resonance Imaging"
Paul C. Lauterburnar. 1929
USA
Sir Peter Mansfield nar. 1933
Veľká Británia
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
6
Precesia magnetického dipóluB
m
Lα
ωL
Obr.3.1. Precesný pohyb magnetického dipólu v magnetickom poli.
BmL
td
d
m = γ L, γ - gyromagnetický pomer
Jadro Spin (L/ ħ) γ [108 s-1∙T-1]
1H (protón) 1/2 2,68
13C 1/2 0,67
19F 1/2 2,52
31P 1/2 1,08
voľný elektrón 1/2 1 758
dsindsind LtBLL
Bt
d
dL
Larmorova uhlová frekvencia
protón fL = 42,65 MHz/T
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
7
Magnetizácia prostrediaEnergia magnetického dipólu v magnetickom poliEp = Ep0 m ∙ B
TkBmE pKBP B0 /cose)( Rozdelenie pravdepodobnosti
Magnetizácia sústavy dipólov
BTk
Bmn
Tk
Bmmnmn
PP
PPmnM
Tk
Bm
Tk
Bm
Tk
Bm
Tk
Bm
B
2
B22
22
0
22tanh
ee
ee
BB
BB
Pre slabé pole m B << kBT je magnetizácia lineárnaPre protóny a B 10 T je mB/kBT 10-4
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
8
Magnetická rezonancia
Zmena potenciálnej energie pri zmene
Ep = (-m B0 cosα) = m B0 sinα α
tttBmt
Wt
dsinsinsinΔ
1LL
Δ
0
m
mL0
mΔ BB
B
Lα
ωL
B0
B1
Striedavé magnetické pole kolmé na os precesie
B1= Bm sin t
Spôsobuje zmenu uhla precesie
Práca striedavého poľa
Pre stav rezonancie = L a = /2 rad je stredná hodnota práce nenulováa z rovnosti Ep = W dostaneme
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
9
Magnetická rezonancia
α
ωL
B0
B1
m
α = 0
α = 90°
α = 180°
mL0
mΔ BB
B
Na začiatku je = 0Magnetizácia je rovnovážna M0 RF impulz pre 90 = /2 rad90 = /(2 Bm) Stredná hodnota magnetizácie nulováKoherentná precesia dipólov a teda celej magnetizácie M0
RF impulz pre 180 = rad180 = /( Bm) Magnetizácia sa zmení na opačnú M0 (nerovnovážnu)
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
10
Vznik FID signáluFID – Free Induced Decay
LM
uFID
B0
B1
Priečna zložka magnetizácie pôsobí ako rotujúci magnet a indukuje v detekčnej cievke striedavé napätie s frekvenciou fL
uFID = d/dt M sin Lt
Metóda MRI vychádza z detekcie a spracovania tohto FID signálu.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
11
Relaxácia T1
11)( 101
T
t
eMMMM
Po ukončení RF impulzu je sústava dipólov v nerovnovážnom stave a z tohto stavu relaxuje nazad do stavu rovnovážneho s magnetizáciu M0
Relaxácia pozdĺžnej zložky M je dôsledkom tepelného pohybu dipólovRelaxácia má exponenciálny charakter s časovou konštantou T1 200 až 2000 ms podľa fyzikálnych vlastností látky
Táto relaxácia nie je priamo merateľná, meria sa sprostredkovanými metódami
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
12Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
Relaxácia T2
tMu T
t
LmFID sine~ 2
Relaxácia priečnej zložky M je dôsledkom-tepelného pohybu (tento vplyv je pomalý s časovou konštantou T1
-náhodnej spin-spinovej interakcie dipólov s časovou konštantou T2
-lokálnej nehomogenity magnetického poľa B0 s časovou konštantou Tn
Priečna zložka M sa vyznačuje jednak smerom kolmým na B0
jednak koherenciou precesie dipólov
Relaxačný čas T2 30 150 ms <<T1 a závisí od vlastností látky Tn = 1/( B0) – potreba veľmi starostlivej korekcie nehomogenity poľa B0
Pre výsledný relaxačný čas priečnej magnetizácie T2* platí
n21n2*
2
111111
TTTTTT
FID signál
Čas T2 nie je priamo merateľný a používa sa sprostredkované meranie – napr. spinové echo
13Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
Charakteristické relaxačné časy
Tkanivo T1 [ms] T2 [ms] Relatívna koncentrácia 1H
Voda 3000 3000 1,00
Mozgovo-miechová tekutina 2500 280 1,00
Šedá mozgová hmota 760 77 0,69
Biela mozgová hmota 510 67 0,61
Edém 900 130 0,86
Svalstvo 900 50
Obličky 650 70
Pečeň 420 45
Tuk 260 60
MRI zobrazuje rôzne tkanivá a rozlišuje ich podľa rôznych relaxačných časov-používa sa T1 zobrazovanie a T2 zobrazovanie-každé zobrazovanie má iný kontrast pre rôzne tkanivá
14
Relaxácia zo stavu priečnej magnetizácie
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2011/12
Relaxácia zo stavu priečnej magnetizácie po aplikácii 90° RF impulzu
Vysiela sa budiacou cievkou séria RF impulzov s opakovacou periódou TR Za čas medzi impulzmi je relaxácia pre TR >> T2 opísaná vzťahom pre pozdĺžnu zložku magnetizácie 1R /
0R1 e1)( TTz MTM
Následnou aplikáciou 90° impulzu sa táto zložka mení na priečnu a tá sa deteguje ako FID signál
1R /0RFID e1)( TTMkTu
1FID0FID
0FID
R1
ln11
uu
u
TT(1) Mozgovo-miechová tekutina,(2) biela mozgová hmota, (3) edém
15
Relaxácia zo stavu inverznej magnetizácieRelaxácia zo stavu inverznej magnetizácie po aplikácii 180° RF impulzu
(1) Mozgovo-miechová tekutina,(2) biela mozgová hmota, (3) edém
Po uplynutí času TE < TR je pozdĺžna magnetizácia
1E /001 e12 TT
z MMM
Aplikuje sa 90° impulz – zmena na priečnu 1E /
01EFID e21)( TTkMuTu
Po uplynutí TR sa aplikuje opäť 180° impulz sústava relaxuje zo stavu Mz2 do stavu za TE
Za časTR-TE sa obnoví pozdĺžna zložka 1ER /
02 e1 TTTz MM
1R1E //04 ee21 TTTT
z MM
Aplikuje sa 90° impulz – zmena na priečnu
1R1E //02ERFID ee21)( TTTTkMuTTu
1E
1R
/
/
1
12
e21
eTT
TT
u
uuVyhodnocuje sa pre známe hodnoty T1
16
Spinové echoMeria sa relaxačný čas T2
Najprv sa 90° RF impulzom zmení magnetizácia na priečnuPočiatočný signál uFID(0) = u0 = k M0
Signál klesá s konštantou T2* < TR < T2
Za čas TR sa aplikuje 180° impulz, čím dôjde k inverzii precesie a teda aj priečnej zložky – proces rozfázovania nahomogenitou B0 prebehne v opačnom slede – vykompenzuje sa
Po uplynutí času TR sa obnoví počiatočný stav redukovaný o relaxáciu v dôsledku náhodných spin-spinových interakcií, tzn. s relaxačným časom T2
Po celkovom uplynutí času 2TR sa objaví FID signál – spinové echo2R /-2
01RFID e)2( TTMkuTu
1
0
R2
ln2
11
u
u
TTČas T2 sa určí z nameraných napätí
17
18
Oblúk aorty Funkčné MRIAktivita mozgu