Pompowanie optyczne 3He Zastosowanie w medycynie
Joanna i Łukasz Gut
Plan
• Rezonans magnetyczny - na czym polega- MR płuc
• Pompowanie optyczne 3He- SEOP - MEOP - porównanie
• Obrazowanie- sekwencja impulsów w „zwykłym” MRI - sekwencja impulsów w MRI 3He - tomografy - SNR
• Zastosowanie w medycynie – diagnostyka
Magnetic Resonance
• Mapy gęstości jąder wodoru lub innych pierwiastków, których jądra mają niezerowy moment magnetyczny – 23Na, 31P,13C,19F.
• Próbkę umieszczamy w silnym zew. polu magnetycznym – rozszczepienie zeemanowskie podpoziomów jądrowych.
• Stosunek wartości obsadzeń
TkEn
nB/exp
nn , - obsadzenia podpoziomów zeemanowskich
• Stopień polaryzacji
nn
nnP
jest miarą wypadkowego momentu magnetycznego próbki.
• Opis makroskopowy - wektorowy moment magnetyczny jednostki objętości, tzw. namagnesowanie M
• Próbkę umieszczamy w cewce nadawczo-odbiorczej.
• Podajemy impuls rf o częstości rezonansowej dopasowanej do różnicy jądrowych poziomów energetycznych ω0=γB0, γ – współczynnik giromagnetyczny, B0 – indukcja zewnętrznego pola magnetycznego.
• W wyniku impulsu – obrót M o pewien kąt względem B0.
MR
• M precesuje, Mxy indukuje w cewce odbiorczej sygnał FID – free induction decay (sygnał swobodnej precesji).
• Sygnał zanika po pewnym czasie, namagnesowanie wraca do położenia początkowego.
• Amplituda – informacja o gęstości jąder
• Czas zaniku – informacja o otoczeniu chemicznym
MR
Description: animated sequence of saggital transections through the human brain. Description: animated sequence of saggital transections through the human brain. The nose is to the leftThe nose is to the left..Source: this is my very own brain. MRI, 10/13/2000Source: this is my very own brain. MRI, 10/13/2000Author: Christian R. LinderAuthor: Christian R. Linder
MRI
MRI
Made from an fMRI scan I had done.Made from an fMRI scan I had done.Goes from the top of my brain straight through to the bottom. 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 sideThat 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 sureis a vitamin E pill they taped to the side of my head to make surethey didn't accidentally swap the L-R orientation.they didn't accidentally swap the L-R orientation.
MR płuc• Stopień polaryzacji P ~ 10-6 dla pola ~ 1T, w temp. pokojowej, ale
wystarczający dla gęstych próbek (tkanki miękkie).• Płuca – obszar o małej gęstości, podczas wydechu ogólna gęstość
~ 0,3 g/cm3 – średnie namagnesowanie zbyt małe.• Sposób na MR płuc – wypełniamy je hiperspolaryzowanym (HP) gazem,
stopień polaryzacji P do 80 %.• Używane 2 stabilne izotopy o spinie jądrowym ½ - 3He i 129Xe.
11HH 33HeHe
Polaryzacja 3HePompowanie optyczne
Pompowanie optyczne Pompowanie optyczne 33HeHe
SEOPSEOP MEOPMEOP
Spin-Exchange Optical Pumping Metastability-Exchange Optical Pumping
wymiana spinu znapompowanymi optycznieparami gazu alkalicznego
bezpośrednie pompowanie helu+ wymiana metastabilności
SEOP
• Możliwe dla dowolnego gazu szlachetnego o niezerowym spinie jądrowym; w szerokim zakresie ciśnień - do 10 atm*.
• W komórce gaz szlachetny z niewielką domieszką N2 + ok. 0,5 g metalu alkalicznego, najczęściej Rb.
• Faza 1 – OP Rb – schemat na rysunku poniżej.
Schemat depopulacji OP w Rb
*Pożyteczny link – zamiana jednostek ciśnienia: http://www.lw.cad.pl/jedn/jedn_cisn.htm
SEOP
• Faza 2 – zderzenia spolaryzowanego Rb z 3He – przekrycie funkcji falowych elektronu walencyjnego Rb i jądra 3He – wymiana spinu
• Po zderzeniu atom Rb pompowany ponownie (OP jest ciągłe) • Stopień polaryzacji 3He jest eksponencjalną f-cją czasu
tRR
PtP SESE
SEAN 1
1
exp1
11
1
TR
AP
SE
- współczynnik podłużnej relaksacji 3He pod nieobecność Rb
- stopień polaryzacji spinu e- w Rb wyśredniowany po t i V
- współczynnik wymiany spinu ~ do ilości atomów Rb
MEOP• Bezpośrednie pompowanie gazu szlachetnego• Faza 1 – OP 3He:
- przeniesienie atomów ze stanu podstawowego 11S0 do stanu metatrwałego 23S1, wyładowanie rf bo przejście optycznie wzbronione
- OP z wykorzystaniem przejścia 23S1 (F=½) –> 23P0 (F=½)
MEOP
• Rozszczepienie podpoziomów zeemanowskich w słabym zewnętrznym polu magnetycznym B0.
• Komórkę z gazem, w której zachodzi wyładowanie rf oświetlamy światłem spolaryzowanym σ+ o dł. 1083 nm
• Wynik OP – zwiększenie obsadzenia podpoziomu 23S1 o mF=+ ½ równoznaczne z polaryzacja całkowitego spinu atomu: powłoka elektronowa + jądro (sprzężenie nadsubtelne)
MEOP
• Faza 2 – zderzenie z wymianą metatrwałości, bo do obrazowania potrzebujemy spolaryzowanego 3He w stanie podstawowym.
• Spolaryzowany atom w stanie metatrwałym 23S1 zderza się z z niespolaryzowanym atomem w stanie podstawowym 11S0.
• Wynik zderzenia – atom spolaryzowany jądrowo w stanie podstawowym 11S0 (F= ½, mF=+½) i atom niespolaryzowany w stanie metatrwałym 23S1, który może być ponownie spolaryzowany.
MEOP
Schemat układu do polaryzacji optycznej 3He
3He w komórce pod ciśnieniem 1-10 Tr (1 Tr = 0,00136 atm) , stąd konieczność kompresji o czynnik ~ 100, aby uzyskać ciśnienie atmosferyczne.
SEOP a MEOP
SEOP• Efektywność polaryzacji w
zderzeniach Rb – 3He ~ 0,05• Czas potrzebny na polaryzację
~ kilku godzin• Nie ma konieczności kompresji• Tańszy laser• Bardziej „mobilny” układ
MEOP• Efektywność polaryzacji w
zderzeniach 3He – 3He ~ 1• Czas potrzebny na polaryzację
~ kilka dziesiątych sekundy• Konieczność kompresji• Droższy laser• Mniej „mobilny” układ
Porównanie za H.E. Möller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)
Obrazowanie Sekwencja impulsów w
„zwykłym” MRI
a) M ma kierunek osi z.b) Po impulsie π/2 M ma kierunek osi y.c) Wskutek rozsypywania się M w
wachlarz sygnał zanika.d) Układ po impulsie π.e) Układ po czasie τ od impulsu π, M
indukuje echo spinowe.
Zachowanie się magnetyzacji M w układziewirującym.
• Zasada otrzymywania obrazu jest analogiczna jak w „zwykłym” protonowym MR.
• Zasadniczą różnicę jednak zauważa się w stosowanych metodach impulsowych do wyprowadzenia wektora magnetyzacji z położenia równowagowego.
• W przypadku 3He nie można zastosować standardowej sekwencji echa spinowego (π/2 – π) gdyż po przeprowadzeniu magnetyzacji na płaszczyznę xy, nie ma możliwości powtórzenia sekwencji bez wprowadzenia nowej porcji spolaryzowanego optycznie helu (skutek brak związku polaryzacji P i pola B0).
• Do obrazowania spolaryzowanym 3He, stosuje się zatem inną sekwencję – z echem gradientowym i ze wzbudzeniem niskokątowym (sekwencję FLASH).
Obrazowanie Sekwencja impulsów w MRI
3He
Echo gradientowe
• W odróżnieniu od echa spinowego wywołane jest poprzez przyłożenie pól gradientowych G1 i G2 o przeciwnych kierunkach.
• Przyłożenie dodatniego (G1>0) gradientu skutkuje rozfazowaniem spinów.
• Przyłożenie po pewnym czasie gradientu przeciwnego (G2<0) spowoduje odtworzenie koherentnej precesji spinów i generację sygnału echa.
Sekwencja FLASH
• Konieczność stosowania impulsów niskokątowych (α<π/2) pozwala na zastosowanie czasów repetycji, pomiędzy kolejnymi eksperymentami pojedynczymi, znacznie krótszych od czasu
relaksacji T1.• Sekwencja powtarzana jest n
razy dla różnych wartości amplitudy gradientu kodowania fazy – Gy.
Tomografy
• Różne parametry techniczne elementów tomografu
• Inna częstość pola generowanego przez cewki ω0=γB0:
- dla 1H ω0/2π= 48 MHz/T
- dla 3He ω0/2π= 32,4 MHz/T
• W przypadku 3He nie ma konieczności użycia wysokich pól B0 – stopień polaryzacji nie zależy od wartości pola.
Zasada konstrukcji tomografów dla 3He i protonów taka sama
Tomograf MRI
[gr. tomós ‘cięty’, ‘tnący’, gráphō ‘piszę’]
Tomograf 3He
Układ do obrazowania MR z magnesem stałym(stosowane pole B0 ~ 0,088 T osiągane jest przez magnesy stałe)
Dodatkowa zaleta – SNR niezależne od ω0 dla HP MR
SNR
tRR
PtP SESE
SEAN 1
1
exp1
NHP PNS 021
HP MR MR
Polaryzacja nierównowagowa
Tk
BP
BN 2
00,
Tk
NPNS
BN 4
20
2
0,021
0
60, 10~
NP110~
NP
SNR nie zależy od ω0 SNR ~ ω0
Polaryzacja równowagowa
vs.
N ~ ω0 dla częstości ω0/2π powyżej kilku MHz („experience shows”)
Diagnostyka
• Obrazowanie zmian chorobowych u chorych na astmę
Diagnostyka
• Obrazowanie zmian u osób palących
Płuca osoby niepalącej Płuca osoby palącej
Diagnostyka
• Obrazy 3D
Diagnostyka
• Badanie przepływu gazu
Bibliografia
• K. Cieślar, T. Dohnalik, Postępy Fizyki 55, 123 (2004)• H.E. Möller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)• J.Stankowski, W. Hilczer, Pierwszy krok ku radiospektroskopii
rezonansów magnetycznych, OWN Poznań 1994, str. 9-53
Dziękujemy Bartkowi Głowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium!
Koniec
Dziękujemy za uwagę!