Transcript
Page 1: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

Pompowanie optyczne 3He Zastosowanie w medycynie

Joanna i Łukasz Gut

Page 2: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 3: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 4: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

• 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

Page 5: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

• 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

Page 6: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 7: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 8: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 9: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 10: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 11: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 12: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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)

Page 13: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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)

Page 14: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 15: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 16: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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)

Page 17: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 18: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

• 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

Page 19: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 20: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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.

Page 21: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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’]

Page 22: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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

Page 23: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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”)

Page 24: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

Diagnostyka

• Obrazowanie zmian chorobowych u chorych na astmę

Page 25: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

Diagnostyka

• Obrazowanie zmian u osób palących

Płuca osoby niepalącej Płuca osoby palącej

Page 26: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

Diagnostyka

• Obrazy 3D

Page 27: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

Diagnostyka

• Badanie przepływu gazu

Page 28: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

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!

Page 29: Pompowanie optyczne   3 He  Zastosowanie w medycynie

Koniec

Dziękujemy za uwagę!