of 24/24

Click here to load reader

Rezonanta Magnetica Nucleara Referate

  • View
    476

  • Download
    8

Embed Size (px)

Text of Rezonanta Magnetica Nucleara Referate

ELECTRONIC Imagistic medical cu rezonan magnetic nuclear

Cuprins1. PRINCIPIILE GENERALE ALE IMAGISTICII MEDICALE........................................................................3 TOMOGRAFIA....................................................................................................................................................................4 2. IMAGISTIC DE REZONAN MAGNETIC NUCLEAR......................................................................5 PRINCIPII..........................................................................................................................................................................5 SPECTRE DE REZONAN MAGNETIC NUCLEAR...................................................................................................................8 3. SPECTROSCOPIA RMN BIDIMENSIONAL..............................................................................................10

4. RELAXAREA SPINILOR..................................................................................................................................10

5. IMAGISTICA DE REZONAN MAGNETIC (IRM)................................................................................12

6. INSTALAIA......................................................................................................................................................13

7. EXEMPLU DE OFERT COMERCIAL DE SISTEM RMN......................................................................14

2

Imagistic medical folosind rezonana magnetic nuclear

1. Principiile generale ale imagisticii medicaleSintagma imagistic medical se refer la obinerea de informaii privind starea fiziologic ori patologic, pe baza interpretrii imaginii unei poriuni a corpului. Definit n felul acesta termenul este foarte larg deoarece imaginile ce se pot obine se bazeaz pe fenomene diferite, deci poart informaie diferit. Ele au totui unele elemente comune: reprezint imagini construite, folosind mijloace tehnice avansate, pe baza rspunsului organismului la interaciunea cu factori fizici. Fectorul fizic poate fi purtat de un factor chimic, de exemplu radiofarmaceuticele. n acest caz, interaciunea are loc ntre ctructurile bologice i factorul chimic, cel fizic fiind ns purttorul informaiei. Interaciunea cu factorul fizic implic cedarea unei cantiti de energie esutului. Cu ct energia cedat este mai mare, cu att investigaia respectiv poate avea efecte colaterale mai importante. Imaginea se construiete de la gradul diferit n care un parametru al factorului e modificat prin interaciunea cu anumite esuturi, deci funcie de caracteristicile acestora. Valorile parametrului respectiv sunt convertite n grade de luminozitate (nuane de gri sau culori asociate convenional) a imaginii. Cu ct diferena ntre caractericticile esuturilor, din punct de vedere al factorului respectiv, va fi mai mare, cu att va fi mai accentuat contrastul imaginii. Calitatea imaginii e dat de contrast i de posibilitatea de a distinge mai multe detalii, deci de sensibilitate i de rezoloie. Calitatea imaginii e afectat de zgomotul suprapus peste semnalul util i de eventuale artefacte1. Aceti parametri depind de rspunsul esutului dar i de caracteristicile radiaiei incidente i de prelucrarea tehnic a raspunsului. Imaginile obinute prin diferite tehnici difer de ntre ele, funcie de: factorul fizic i parametrii acestuia; mecanismul de interaciune cu materialul biologic; mijloace tehnice folosite pentru aplicarea factorului fizic i nregistrarea rspunsului; modul de construire a imaginii, de regul pe calculator, cel puin la tomografie; n felul acesta se poate mbulnti calitatea imaginii. Principalii factori fizicii utilizai astzi n imagistica medical sunt: radiaiile X (radiologie, tomografie X sau tomodensitometrie), ultrasunetele (ecografie i tomografie cu ultrasunete); radiaiile

1

Elemente ce nu au corespondent n structura anatomic

3

ionizante emise de substane radioactive, fixate, de regul, pe trasori specifici esutului investigat (scintigrafie, tomoscintigrafie sau tomografie de emisie), cmpul electromagnetic (tomografie RMN).

TomografiaCu oricare din aceti factori fizici se pot obine imagini tomografice. Termenul de tomografie vine de la gr. tom=seciune, deci nseamn obinerea unor imagini pe seciuni. Prima etap este stabilirea seciunii ori seciunilor pe care se face nregistrarea. n continuare seciunea se mparte n elemente de volum (voxel = volum element) i trebuie obinut un semnal corespunznd rspunsului individual al fiecruia. Odat nregistrate aceste semnale imaginea se construiete de ctre un calculator n aa fel nct fiecrui element de volum s-i corespund un element de imagine (pixel = picture element). Un parametru

Element de volum voxel

Element de imagine pixel

Corespondena element de volum element de imagine n tomografie

al rspunsului tisular, cel mai adesea intensitatea, dar nu numai, se traduce n grade de luminozitate (uneori culoare) a pixel-ului corespunztor, astfel nct matricea reprezint o matrice de elemente (puncte) de luminozitate. Fiecrui element de imagine corespunzndu-i un element de volum, cu ct matricea e mai mare, cu att elementul de volum e mai mic. Evident, nu se pot distinge detalii mai mici dect un voxel. Micorarea voxel-ului duce ns, de regul, la mrirea zgomotului. Prin nregistrarea unui numr mare de seciuni adiacente, se poate construi, pe calculator o imagine tridimensional (3D), care apoi poate fi examinat n orice seciune: planuri diferite i unghiuri diferite. 4

2. Imagistic de rezonan magnetic nuclearPrincipiiO particul n micare de rotaie e caracterizat de un moment cinetic (L), vector perpendicular pe planul traiedtoriei, dependent de masa i viteza particulei i raza traiectoriei, deci descrie caracteristicile micrii: L~mvr. O sarcin electric n micare este influenat de un cmp magnetic, deci se comport ca un mic magnet, caracterizat printr-un moment magnetic. Momentul magnetic e tot un vector perpendicular pe planul traiectoriei, sensul depinnzd de semnul sarcinii. Electronul are un moment cinetic i, respectiv, un moment magnetic orbital, corespunztor rotaiei L d r S a. b. S S-

e

me+

e

mp c.

Momentul cinetic i momentul magnetic a. Momentul cinetic i momentul cinetic de spin al unui electron; b. Momentul cinetic de spin i momentul magnetic de spin al unui electron; c. Momentul cinetic de spin i momentul magnetic de spin al unui proton; L = momentul cinetic orbital al electronului; v = viteza; r = raza orbitei; S = momentul cinetic de spin; = momentul magnetic de spin; e = sarcina elementar; me, mp = masa electronului, respectiv a protonului

n jurul nucleului, dar i un moment cinetic i, respectiv, un moment magnetic de spin. Acestea din urm ar putea fi interpretate intuitiv ca fiind corespunztoare unei micri de rotaie n jurul propriei axe. n mecanica cuantic, momentul cinetic de spin sau spinul (S) e cuantificat, depinznd de numrul cuantic de spin (s), S = s = valoarea: h = gS = g s ; []=J/T 2 h 1 s , ce poate lua valorile s = 2 . Momentul magnetic corespunztor (de spin) are 2

5

unde: =e/2m=raport giromagnetic; g=factorul lui Land, constant ce depinde de natura particulei; h=constanta lui Plank; S=moment cinetic de spin; s=munr cuantic de spin, s=1/2,-1/2. Momentul magnetic se msoar n joule/tesla (J/T). Mrimea B=h/2=he/4me se numete magnetonul lui Bohr (me=masa electronului) se poate considera o cuant de moment magnetic. n mod similar protonul are i el moment magnetic de spin. Se definete magnetonul nuclear, N=hN/2=he/4mp, n care s-a nlocuit masa electronului cu a protonului (mp); N este raportul giromagnetic al protonului. Magnetonul nuclear e cu trei ordine de marime mai mic dect magnetonul lui Bohr deoarece masa protonului este mai mare. Se constat i se demonstreaz n mecanica cuantic faptul, inexplicabil n cadrul mecanicii clasice, ca neutronul, dei neutru, are totui un moment magnetic de spin, egal cu al protonului. Ca i n cazul electronului, nucleolii se asociaz in perechi de spin opus (+1/2 i 1/2), astfel nct pentru un numr par, spinil total e nul. Pentru un nucleu, cuprinznd un numr Z de protoni i A-Z neutroni, momentul magnetic de spin total se obine prin nsumarea momentelor corespunztoare protonilor i, respectiv, neutronilor. Sunt posibile trei cazuri: att protonii ct i neutronii sunt n numr par (A i Z pare); rezult un spin nul; numrul de mas (A) e impar, deci fie protunii, fie neutronii, sunt n numr impar; rezult un spin semintreg (+1/2 sau 1/2); A e par i Z impar, ceea ce nseamn c att protonii ct i neutronii sunt n numr impar; spinil este ntreg (1), deoarece spinul semintreg rezultat pentru fiecare tip de nucleoni n parte se adun, dnd 1. Dac o particul, avnd un moment magnetic nenul, e plasat n cmp magnetic (B), asupra ei se exercit un cuplu de fore, ceea ce imprim o micare de precesie, precesia Larmour, avnd ca ax direcia cmpului magnetic, n urma creia se va orienta pe direcia lui B. E o micare similar cu a unui titirez. Viteza unghiular (L) i, respectiv, frecvena (L) micrii de presesie sunt date de relaiile: L=gB; L=L/2=g(/2)B.

nmulind frecvena cu constanta lui Plank, se regsete expresia magnetonului. Deci hL=g(h/2)B=gBB pentru electron hL=gN(Nh/2)B=gNNB pentru un proton.

6

B

B

L

Micarea de precesie a protonului n cmp magnetic B = inducia cmpului magnetic; = momentul magnetic; L = viteza unghiular a precesiei Larmour; = unghiul format de momentul magnetic i inducia cmpului magnetic

Deci L, frecvena Larmoure a protonului, e proporional cu inducia cmpului magnetic i cu magnetonul nuclear. Ea este de ordinul MHz, aadar n domeniul de radiofrecven. Dac o particul avnd un moment magnetic se plaseaz ntr-un cmp magnetic uniform de inducie B, ea va avea o energie potenial =-B=-gNNBs. Comparnd aceast relaie cu expresia frecvenei Larmoure, rezult c la o variaie a numrului cuantic de spin cu 1 unitate (ntre 1/2 i +1/2), energia variaz cu =hL. Deci ntr-un cmp magnetic, protonul se poate afla n dou stri energetice, cea mai joas corespunznd spinului +1/2. Cele dou stri reprezint o orientare paralel (p), respectiv, antiparalel (a), cu direcia cmpului. La echilibru, ntr-o populaie de protoni, repartiia pe cele dou nivele este dat de

relaia lui Boltzmann:

Np Na

=e

hB 2 kT

, n care:

Np i Na reprezint numrul de protoni aflai pe cele dou nivele (paralel, respectiv antiparalel). B=inducia cmpului magnetic; k=constanta lui Boltzmann; h=constanta lui Plank; T=temperatura absolut. 7

Raportul are o valoare puin mai mare dect 1, deci pe nivelul fundamental se afl mai puini protoni. n consecin, la echilibru, N rezultant e paralel cu inducia cmpului magnetic (B). Np B=0 B0

NpNivelele energetice ale protonului B = inducia cmpului magnetic ; Np,Na = nr de protoni cu orientare paralele i respectiv antiparalel; = diferena dintre nivelele energetice.

Pentru ca un proton s treac de pe nivelul fundamental pe nivelul excitat, trebuie s i se furnizeze o energie egal cu . Deci el poate absorbi o radiaie electromagnetic de frecven egal cu frecvena Larmoure; este frecvena de rezonan. Sup cum reiese din relaiile de mai sus, aceast frecven e proporional cu inducia cmpului magnetic B.

Spectre de rezonan magnetic nuclearO populaie de nuclee cu spin nenul, plasat ntr-un cmp magnetic uniform i constant se repartizeaz, aa cum am vzut ntre cele dou nivele energetice conform legii lui Boltzman. Dac peste acest cmp se suprapune un cmp electromagnetic cu frecvena Larmour, spinii absorb energia i pot trece rapid pe nivelul energetic superior; ei intr n rezonan cu cmpul EM. Reorientarea spinilor induce o tensiune electromoroare ntr-o nfurare ce nconjoar proba. Aplicndu-se un cmp electromagnetic de frecven variabil continuu (n domeniul de radiofrecven), fiecare specie nuclear cuprins n eantion va intra n rezonan la propria frecven Larmour (=L); s-a realizat astfel un baleiaj de frecven. nregistrndu-se semnalul se obine spectrul RMN, A(); frecvena liniilor spectrale corespunde frecvenei Larmour a nucleelor, iar amplitudinea numrului de nuclee care absorb la frecvena respectiv.

8

A GRF RRF RRF Spectru

Schema de principiu a unei instalaii de spectrometrie RMN GRF = generator de radiofrecven (RF); BE = bobin de excitare; BR = bobin de recepie; P = prob; RRF = receptor de RF; AF = analiza Fourier (n cazul excitrii cu un impuls scurt de frecven fix); = frecvena; A = amplitudinea semnalului.

Operaia se poate realiza i altfel: cmpul EM aplicat are o frecven constant, dar peste cmpul B se aplic un al doilea cmp, de intensitate mult mai mic (B) i reglabil. Rezonana se obine pentru gNN(B+B)=hL. S-a fcut un baleiaj de cmp. n prezent, spectrele RMN se obin prin aplicarea unui semnal de radiofrecven sub forma unor impulsuri scurte (s), de frecven fix. Acestea induc o perturbare a spinilor. Dup ncetarea impulsului, ei revin n situaia de echilibru, printr-o precesie Larmour liber, corespunznd unui semnal sinusoidal amortizat, specific pentru fiecare specie nuclear prezent. Se nregistreaz rspunsul sistemului ca o funcie de timp f(t). Printr-o transfirmare Fourier se obine spectrul A() al sistemului. Frecvena Larmour, depinznd de inducia cmpului magnetic n imediata vecintate a nucleului, e a. influenat de cmpurile magnetice ale altor nuclee prezente i de norul electronic ce nconjoar nucleul. Acesta realizeaz o ecranare, ce se manifest prin faptul c nucleul simte un cmp magnetic nai nic dect cel aplicat (B). Consecina va fi o deplasare a frecvenei de rezonan fa de cea a nucleului izolat. Deplasarea e de ordinul 10-6 din frecvena de rezonana i se exprim n pri pe milion (ppm=10-6). t Deplasarea poate da indicaii asupra mediului ambiant. De exemplu, frecvena de rezonan a protonilor n grsimi e deplasat fa de cea n ap cu 3,3ppm. La B=1T, frecvena Larmour a protonilor fiind 42,6MHz corespunde unei deplasri de 140Hz. Exprimarea n ppm are avantajul c nu depinde de intensitatea cmpului. A

b.

140Hz Deplasarea chimicLa o frecven Larmour a protonului, la B=1T, L=42,6MHz, unei deplasri chimice de 3,3ppm i corespunde o Semnal recepionat la excitarea n impulsuria frecvenei de 140Hz variaie a. evoluia n timp a semnalului recepionat; b. spectrul corespunztor

9 f (ppm) 0 1 2 3 4

3. Spectroscopia RMN bidimensionalLa excitarea cu un cmp de RF a macromoleculelor, interaciunile dintre protoni sunt multiple, deci spectrele ce se obin sunt extrem de complexe, multe linii spectrale suprapunndu-se, aa c devine destul de dificil de extras informaia. Acest lucru este nlturat prin spectroscopia bidimensional. Extitarea se face n secvene. ntr-o prim etap, proba este iradiat cu un semnal de RF care va excita toate nucleele. Fiecare ns va avea o precesie cu o frecven ce depinde de cmpul local, deci de interaciunile la care ia parte. Dup un timp t1 variabil n trepte, cnd spinii var fi defazai n funcie de propria frecven Larmour, se aplic un al doilea semnal de RF, care va avea, evident, efecte diferite asupra fiecrui spin. Dup un timp t2, timpul de achiziie, se nregistreaz rspunsul. Operaia se repet pentru diferite valori ale lui t1, ateptndu-se, de fiecare dat, revenirea n starea de repaus. Prin analiza Fourier a rspunsurilor nregistrate, s(t1,t2), se obine spectrul bidimensional, funcie de dou variabile de frecven, 1 i 2, corespunztoare timpilor t1 i t2. Spectrul va cuprinde o serie de vrfuri aflate pe diagonal, reprezentnd spectrul unidimensional, dar i alte vrfuri, aezate simetric fa de dagonal. Acestea indic interaciunile dintre protoni: un vrf avnd coordonatele (a, b) i simetricul lui de coordonate (b, a) indic interaciunea dintre un nucleu cu frecvena de rezonan a i unul cu frecvena b. Spectroscopia RMN bidimensional e foarte util pentru determinarea structurii proteinelor i a altor macromolecule biologice.

4. Relaxarea spinilorDac peste cmpul magnetic uniform B0, care a orientat spinii pe direcia lui se suprapune un al doilea cmp, cmpul de excitare (), variabil cu frecvena Larmour i orientt perpendicular pe primul, spinii vor iei din starea de echilibru. Ei se vor orient pe direcia cmpului de excitare, deci normal la direcia cmpului B0. Magnetizarea pe direcia lui B0, pe care o vom nota cu va deveni nul, iar cea pe direcia cmpului excitator (), notat x, va fi maxim. La ntreruperea cmpului , spinii vor revenii, dup un anumit timp, la starea de echilibru, efectund o micare de precesie cu frecvena Larmour. Variaia cmpului magnetic rezultat poate fi msurat prin t.e.m. indus ntr-o bobin. Semnalul nregistrat e un semnal sinusoidal atenuat (dup o lege exponenial), cu frecvena L. Constanta de timp de atenuare se numete timp de relaxare. Amplitudinea semnalului scade datorit cedrii energiei moleculelor nconjurtoare. Timpul de relaxare nregistrat pe direcia longitudinal (z = direcia cmpului B0) se numete timp de relaxare longitudinal sau timp de relaxare spin-reea, reeaua desemnnd ansamblul moleculelor crora le cedeaz energie. Se noteaz cu T1.

10

z = 0 1 e

t T1

n care 0=magnetizarea (momentul magnetic) n repaus, orientat pe direcia cmpului B0 (z); z = componenta longitudinal a magnetizrii. La t=T1, z=0(1-1/e) ~ 0,630 , iar la t=3T1; 0 crete la 0,95 0, deci practic a revenit la valoarea iniial. Timpul de relaxare nregistrat ntr-un plan perpendicular pe B0 se numete timp de relaxare transversal sau timp de relaxare spin-spin. Se noteaz cu T2.

x = x0 erelaxarea; x=componenta transversal a magnetizrii.

t T2

n care: x0=magnetizarea transversal n momentul iniial, deci dup excitare n momentul n care ncepe

La t=T2; x=x0(1/e) ~ 0,37x0, iar la t=3T2; x scade la 0,05x0, deci se poate considera c a revenit la 0. T2 este mai acurt dect T1. Explicaia este urmtoarea: nmomentul ntreruperii cmpului excitator, toate nucleele au aceai orientare, deci oscileaz n faz (semnalele sunt coerente). Pe msura relaxrii, are loc un schimb de energie ntre nuclee (de aici denuluirea de timp de relaxare spin-spin) ceea ce face s se piard coerena, deci rezultanta se va anula naintea revenirii pe direcia revenirii pe direcia lui B 0. n tabelul de mai jos sunt dai timpii de relaxare pentru unele esuturi. T1 s-a indicat prin dou valori ale cmpului magnetic, deoarece depinde de acesta.Timpii de relaxare ai unor esuturi

Tesutul Adipos Ficat Muchi Materie alba Materie cenuie

T2 (ms) 80 42 45 90 100

T1 (ms) (B=0,5T) 210 350 550 500 650

T1 (ms) (B=1,5T) 260 500 870 780 920

La pierderea coerenei contribuie esenial i neomogenitile cmpului magnetic extern (al magnetului) i susceptibilitatea magnetic diferit a esuturilor. Deci, de fapt, constanta de timp nregistrat va fi determinat de aceste neomogenitti, macnd constanta de timp caracteristic probei. Se definete o constant de timp T2* dat de neomogenitile cmpului. ntre aceste constante de timp exist relaia: T2*