Rádióspektroszkópiai módszerek

ESR: Elektron Spin Rezonancia (Electron Spin Resonance)

elektronhéjak tulajdonságai

NMR: Mágneses Magrezonancia (Nuclear Magnetic Resonance)

atommagok tulajdonságai

A kvantumszámok

Fizikai alapfogalmak

impulzusmomentum (perdület)

mágneses momentum - töltés

köráram elemi rúdmágnes

Dipólus erőssége iránya

Az elektron mint köráram mágneses dipólusként viselkedik.

rIL

vmI

Az elektron pályamozgástól független saját-impulzusmomentuma: SPIN

( 1)

1

2

3

2

S s s

s

S

1

2

1 1 / -

2 2

z s

s

z

S m

m

S

0

0

: paralel

: antiparalel

B

B

Megadja a spin vetületeinek nagyságát egy kitüntetett irányra

(mágneses térben a saját elektromágneses momentum

kétféleképpen állhat be)

Spin kvantumszám:

Saját elektromágneses momentum

Mágneses spinkvantumszám: ms

A proton, a neutron és az elektron feles spinű részecskék.

Saját tengely körüli forgás

saját impulzusmomentum: SPIN

pörgettyű

Saját elektromágneses momentum

elemi rúdmágnes

Mágneses tér hiányában: Elemi mágnesek orientációja random

Mágneses térben: Elemi mágnesek 2 fő beállása

(paralel, antiparalel)

Precessziós mozgás

Energiaszintek felhasadnak

0 0B

0 0B

DE

B0

E

B

0

0

E B

E hf

D

D

0 : rezonanciafrekvenciaf

: makroszkópikus mágnesezettségM

0B

0f

0fM

~

paralel

antiparalel

NMR

Frekvenciatartomány: 60 – 400 MHz

Mágneses térerő: 1 – 10 T

A spektrométer blokkdiagrammja

Adó

É

D

Vevő M

Homogén mágneses tér: B0

elektromágnes

Rádiófrekvenciás EM sugárzás: f0

oszcillátor

Rádióvevő

Az abszorbeált energiával arányos jel detektálása

ESR

Frekvenciatartomány: 9 – 250 GHz

Mágneses térerő: 0.1 – 10 T

Spin-rács relaxáció: T1 vagy longitudinális relaxáció

t

Mz

A gerjesztő EM sugárzás megszűnése után a spin rendszer a többlet energiától

igyekszik megszabadulni, azt a környező “rácsnak” adja át.

Mz növekvő amplitúdóval visszatér a kezdeti egyensúlyi állapotba

Időállandó: T1

Mxy

t

“free induction decay” (FID)

Spin-spin relaxáció: T2 vagy transzverzális relaxáció

A spinek azonos fázisszöggel forognak

(y irányban)

Mxy → max : Kényszerhelyzet

A spinek eltávolodnak (fázisvesztés)

xy síkban egyenletes eloszlás

Mxy → 0

Mxy → 0

Exponenciálisan lecsengő

mágnesezettség és indukált

feszültség

Időállandó: T2

Spektrumok

Az abszorpció mértéke arányos az adott energiát abszorbeálni képes

magok/elektronok koncentrációjával.

Az ESR/NMR spektrum a rendszer által abszorbeált energiát ábrázolja

a gerjesztési energia (ΔE) frekvenciájának (f) vagy a mágneses térnek

(H, B) a függvényében.

A lokális térerősség (különböző molekuláris környezet) miatt az egyes

magspinek, elektronspinek gerjesztési energiája (ΔE) különböző.

Az ESR/NMR spektroszkópia feladata az, hogy feltérképezze a

molekuláris környezetbeli azonosságokat, különbségeket.

610

o

os

f

ff

0 2 4 6 8 10 12

Am

pli

tud

ó

ppm

Különböző kémiai

környezetű

protonoktól

származó jelek

Referenciajel

NMR spektrumok

Spektrumvonalak relatív amplitúdója

Spektrumvonalak

kémiai eltolódása

Spektrumvonalak

finomszerkezete

~ abszorpció

~ protonkoncentráció

CH3-CH2-OH

ESR spektrumok

H [Gauss]

Am

pli

túd

ó

Spektrumvonalak alakja

Max / min relatív

amplitúdói

Max / min helye a H atom alapján

Max / min távolság

Alkalmazási lehetőségek

NMR

× Szerves vegyületek molekulaszerkezetének vizsgálata

× Szerves vegyületek kölcsönhatásainak vizsgálata

× Makromolekulák (fehérjék, nukleinsavak) szerkezetének

vizsgálata

× Biológiai és mesterséges membránok, liposzómák

vizsgálata

× MRI: mágneses rezonanciatomográfia

MRI- NMR orvosi alkalmazása

Alkalmazási lehetőségek

ESR

× Enzim – szubsztrát kölcsönhatás vizsgálata

× Fehérjeszegmensek mozgásállapotának vizsgálata

speciális paramágneses jelölők alkalmazásával

× Biológiai és mesterséges membránok, liposzómák

vizsgálata

× Lipid – lipid, lipid – fehérje kölcsönhatás vizsgálata

× Biológiai szövetekben keletkező szabadgyökök kimutatása

× Metalloproteinek szerkezeti vizsgálata (fémionok

oxidációs állapota / fehérje konformációjának változása)

(Nuclear) Magnetic Resonance

Imaging”: mágneses magrezonancia

képalkotás

Orvosi diagnosztikában: a test szerkezetének leképezéséhez agyi képalkotás területén Előnye a komputertomográfiához képest: jobb a kontrasztfelbontó képessége a lágy

szövetek területein Létezik: a strukturális MRI vizsgálat (sMRI) mellett ún.

funkcionális MRI (fMRI) is, amellyel a vizsgált szervek működéséről nyerhető információ.

Az MRI működési alapelve

mágneses térbe helyezik a testrészt

ez megdönti a protonok tengelyének irányát a hidrogénatomokban

plusz energiával „bombázzák”, megváltoztatják a tengelyek dőlését

„igyekszik” visszaállítani eredeti dőlésszögét a kapott

energiát visszasugározza ezt a visszasugárzott energiát mérjük ez egy 3D képrekonstrukció beállított síkokban képeket készítenek, amelyekről

információt nyernek az adott térfogaton található szövetek víztartalmáról, sűrűségéről

Elektromágneses tér

A mágneses térerősségnek a rezonanciafeltételt egy adott pillanatban a leképzendő testszelvény kicsiny térfogatelemében kell kielégítenie több mágneses tér egyidejű alkalmazásával.

A gradiensek változtatásával a sík pásztázása.

Voxel

A képalkotásban a legkisebb vizsgálati egység.

Meghaladja a sejtek méretét (1-3 mm oldalhosszúságú) megeshet, hogy egy adott voxel például szürke és fehérállományhoz tartozó sejteket is tartalmaz.

Statisztikai eljárások, beprogramozott elvek segítségével a szoftver döntést hoz az adott területtel kapcsolatban.

A műszer

Adatok forrása: a protonokból visszasugárzott energia mennyisége.

Info: ◦ szövetek sűrűsége ◦ szövetek kémiai környezete

◦ víztartalom eloszlása

gerjesztési adatok:

B=0,05 – 2 T

f=MHz-10MHz

Az MRI képek jellemzői

súlyozási eljárások: ◦ :strukturális elemzésekhez - a szürkeállomány sötétebb szürke, a fehérállomány világosabb, esetleg fehér, és a liquor fekete.

a szürkeállomány vékony felülete világosabb tónusú a fehérállománynál, ám a liquor itt is fekete.

http://www.radiologyinfo.ca/utilisateur/images/16_mri_body_b.jpg

Nehézségek az elemzésben

Voxelek: a legnagyobb felbontású gépekben is milliméter nagyságrendűek.

Hosszadalmas, nagy körültekintést igényel és drága.

A páciens mozog, a képek egymáshoz képest elmozdulnak.

Egyenetlen mágneses mező torzulások. A szkenner felmelegszik. rossz jel-zaj arány rontja a statisztikák

megbízhatóságát is.

Nehézségek Az emberi agyak nem egyformák.

◦ barázdáltság, ◦ méret ◦ alak ◦ összehasonlításhoz megfeleltetik őket egymásnak regisztráció: szükséges átalakítások felmérése, számítása

transzformáció: fentiek végrehajtása. illesztés A számításokat a koordináta-transzformáció szabályai szerint végzik. ◦ lineáris transzformáció - merev testek esetén (ugyanazon személy elmozdult agyának illesztésére): mozgatás, forgatás, három dimenzió mentén; méretezés, torzítás

MR-biztonság Elektromos implantátumok: pl.

pacemaker, inzulin-pumpa, megoldás lehet: implantátumok olyan

nano-borítása, amely leárnyékolja a szerkezetet.

Mágnesezhető idegen testek (pl. repeszdarabok) vagy fém implantátumok (pl. sebészeti protézisek, aneurizma sztentek) implantátum mágneses mezőben való elmozdulása, a tárgy indukciós felhevülése. megoldás: titán implantátumok (nem mágnesezhető és gyenge elektromos vezető. ◦ implantátumok és egyéb klinikai készülékek besorolása:

◦ MR biztos, MR feltételes jelzés, MR veszélyes jelzés

MR-biztonság Klausztrofóbia és diszkomfortérzés

◦ Vizsgálandó testrészet a hosszú cső közepébe ◦ Hosszú szkennelési idő (alkalmanként akár 40 perc is lehet). ◦ Mozgolódás torzító hatása nehezen kiküszöbölhető ◦ Modern MR készülékek: nagyobb átmérő (70 centimétert), rövidebb

szkennelési idő. Előzetes felkészülés

◦ a szkenner megtekintése a szoba megismerése céljából, az asztalon való előzetes fekvés

◦ vizualizációs technikák ◦ gyógyszeres nyugtatás ◦ általános altatás

Megküzdés a szkennerben ◦ „pánikgomb” ◦ szemek csukva tartása ◦ zenehallgatás vagy egy film nézése ◦ a szkenner szoba megvilágítása, hangok lejátszása, és képek a

falon vagy a plafonon Alternatív szkenner kivitelezések:

◦ nyitott, vagy álló MRI alacsonyabb szkennelési minőség ( kisebb mágneses mező).

◦ A kereskedelemben az 1 teslás nyitott rendszerek kezdenek elterjedni, mivel sokkal jobb képminőséget biztosítanak.

Strukturális MRI vizsgálat

Az agyi képalkotás módszere.

Van-e eltérés egy betegcsoport szürkeállományának méretében a normál populációhoz képest?

Bizonyos tevékenységek hosszú éveken át történő űzése együtt jár-e strukturális elváltozásokkal?

Adott beteg agysérülésének pontos felmérése.

Strukturális elváltozások kapcsolata neurológiai, pszichiátriai tünetekkel.

Funkcionális MRI

A funkcionális MRI (fMRI) az MRI vizsgálat egy specializált típusa, amely az idegi aktivitással összefüggésben lévő hemodinamikus választ méri az emberek és állatok agyában vagy spinális kötegében.

Az 1990-es évek elejétől kezdve az fMRI domináns módszerré vált az agy feltérképezésének területén, mivel nem invazív eljárás, nem használ radioaktivitást, valamint viszonylag széleskörűen hasznosítható.

http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:User-FastFission-brain.gif

http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:FMRI.jpg

http://wsunews.wsu.edu/Content/P

ublications/MRI1.jpg

http://wsunews.wsu.edu/Content/P

ublications/MRI_NEURO1.jpg

BOLD MRI

A vér-oxigén-szint függő (Blood-oxygen-level dependent) MRI

lehetővé teszi, hogy megfigyeljük, hogy az agy mely területei aktívak adott időben.

Hemodinamikus válasz-folyamaton keresztül a vér nagyobb mértékben szállít oxigént az aktív, mint az inaktív neuronokhoz.

Mágneses érzékenységben különbségek vannak az oxihemoglobin és a deoxihemoglobin között, és így az oxigéndús és az oxigénszegény vér között a mágneses jel változása MRI szkennerrel detektálható.

Statisztikai módszerekkel meghatározható, hogy az agy mely területei aktívak a gondolatok, mozgások és élmények alatt.

Kontraszt MR, megjelölt spin technika

Kontraszt MR ◦ Befecskendezett kontraszt anyag (vasoxid) zavart okoz a

mágneses mezőben MRI szkenner mérni tudja. ◦ A jelek összefüggésben állnak a kontraszt anyag

típusával és az agyi vérmennyiséggel. ◦ Növelhető az fMRI vizsgálatok hasznossága. ◦ A mai napig nincs olyan alternatív eljárás, amely ilyen

érzékenységgel tudná jelezni az agyi változásokat. Megjelölt spin technika (ASL)

◦ Mágneses „jelölés” esetében a proximális vérellátás „megjelölt spin” technikát (ASL) használ.

◦ Kontraszt anyag nélküli perfúziós vizsgálat. ◦ Az eljárás több kvantitatív pszichológiai információt

nyújt, mint a BOLD, és hasonló érzékenységgel rendelkezik a feladat-indukált változásokra nézve.