Click here to load reader

Rezonanta magnetica nucleara - UTClujusers.utcluj.ro/~simona/apim/apim11_4p.pdf1 APIM11 - 1 Rezonanta magnetica nucleara APIM11 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen fizic

  • View
    37

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Rezonanta magnetica nucleara - UTClujusers.utcluj.ro/~simona/apim/apim11_4p.pdf1 APIM11 - 1...

  • 1

    APIM11 - 1

    Rezonanta magnetica nucleara

    APIM11 - 2

    Rezonanta magnetica nucleara (RMN)

    • Fenomen fizic – studiul spectroscopic al proprietatilor

    magnetice ale nucleului

    • Protonii si neutronii au camp magnetic propriu datorita

    spinului lor si distributiei sarcinii electrice proprii

    • Valorile numarului de spin sunt discrete: 0, ½, 1, 1½,...

    • Se obtin date spectroscopice referitoare la un material

    situat in camp magnetic puternic

    APIM11 - 3

    Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Din 1940 detectarea si analiza RMN a fost

    introdusa ca metoda de cercetare analitica in chimie si biochimie

    • In anii 1970 s-a constatat ca utilizarea gradientului de camp magnetic permite localizarea semnalului dat de RMN si pot fi captate proprietatile magnetice ale protonilor

    • Pe la jumatatea anilor 1980 a devenit o ramura a imagisticii medicale

    APIM11 - 4

    Magnetism

    • O proprietate fundamentala a materiei

    • Generat de purtatorii de sarcina electrica in

    miscare

    • Atomii cu numar par de orbite electronice nu au

    camp magnetic propriu

    • Atomii cu numar impar de orbite electronice au

    camp magnetic propriu

  • 2

    APIM11 - 5

    Magnetism (2) • Susceptibilitatea magnetica = gradul in care un material se

    magnetizeaza

    • Materiale – diamagnetice – sensul campului magnetic indus este opus

    campului magnetic extern (Ca, apa, majoritatea subst. organice (C si H))

    – paramagnetice - sensul campului magnetic indus are acelasi sens cu campul magnetic extern; nu prezinta

    magnetism propriu (O2, unii produsi ai sangelui, subst. de contrast pe baza de gadoliniu)

    – feromagnetice – intensifica campul extern; de multe ori au magnetism propriu (Fe, Co, Ni)

    APIM11 - 6

    Magnetism (3) • Dipoli

    • Inductia magnetica B

    – Tesla (T)

    – Gauss (G): 1 T=10 000 G

    • Campul terestru 1/20000 T

    APIM11 - 7

    Caracteristicile magnetice ale

    nucleului atomic Caracteristici Neutron Proton

    Masa (kg) 1,674·10-27 1,672·10-27

    Sarcina (Coulomb) 0 +1,602·10-19

    Moment magnetic (Joule/Tesla) -9,66·10-27 1,41·10-26

    Numărul de spin 1/2 1/2

    • daca numarul de neutroni si protoni este par -> moment mag. nul

    • daca numarul de neutroni este par si si cel de protoni este impar,

    sau invers -> moment mag. diferit de zero (insuficient de puternic

    pentru masurare) APIM11 - 8

    Caracteristicile magnetice ale

    diferitelor elemente

    Nucleu Număr de

    spin

    Abundenţă

    izotopică %

    Moment

    magnetic

    Concentraţie

    fiziologică

    relativă

    Sensibilitate

    relativă

    1H 1/2 99,98 2,79 100 1

    16O 0 99,0 0 50 0

    17O 5/2 0,04 1,89 50 9·10-8

    19F 1/2 100 2,63 4·10-6 3·10-8

    23Na 3/2 100 2,22 8·10-2 1·10-4

    31P 1/2 100 1,13 7,5·10-2 6·10-5

  • 3

    APIM11 - 9

    Momentul magnetic

    Campul magnetic al protonului Momentul magnetic (M)

    APIM11 - 10

    Momentul magnetic (2)

    Orientarea aleatoare Orientarea in camp magnetic extern

    (paralel- nivel energetic scazut; antiparalel – nivel energetic mai ridicat)

    APIM11 - 11

    Momentul magnetic (3) • La 0° K toti protonii se orienteaza paralel cu

    campul magnetic exterior)

    • Cresterea campului magnetic -> cresterea numarului de protoni aliniati paralel cu acesta, creste diferenta dintre cele doua niveluri energetice

    • La temp. fiziologica, in camp de 1 T, numarul de protoni de energie scazuta in exces este de 2 spini la 1 milion (210-6) -> intr-un voxel, 1021 protoni, sunt cu 210-61021 =21015 mai multi protoni aliniati paralel cu campul -> camp detectabil

    APIM11 - 12

    Momentul magnetic (4)

  • 4

    APIM11 - 13

    Miscarea de precesie (1) • Pe langa orientarea paralela cu liniile de camp

    apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic

    APIM11 - 14

    Miscarea de precesie (2)

    APIM11 - 15

    Miscarea de precesie (3) • frecventa miscarii de precesie este proportionala

    cu inductia campului magnetic:

    00 B

    200 Bf

    de unde frecventa (de ordinul MHz) (frecventa

    Larmor):

    - unde γ este raportul giromagnetic, specific fiecarui

    element

    APIM11 - 16

    Raportul giromagnetic

    Nucleu γ/2π (MHz/T)

    1H 42,58

    13C 10,7

    17O 5,8

    19F 40,0

    23Na 11,3

    31P 17,2

  • 5

    APIM11 - 17

    Campul magnetic utilizat

    Inductia 1H 31P

    0,15T f=42,58MHz/T·0,15T = 6,39MHz f=17,2MHz/T·0,15T =2,58MHz

    0,5T f=42,58MHz/T·0,5T =21,29MHz f=17,2MHz/T·0,5T =8,6MHz

    1,5T f=42,58MHz/T·1,5T =63,87MHz f=17,2MHz/T·1,5T =25,8MHz

    3,0T f=42,58MHz/T·3,0T =127,74MHz f=17,2MHz/T·3,0T =51,6MHz

    • efectuarea unei excitari selective a diferitelor elemente -> precizie ridicata a masurarii inductiei magnetice si a frecventei in zona de interes,

    • precizia de masurare a frecventei de spin este de 10-12 MHz

    APIM11 - 18

    Campul magnetic perpendicular • Este nul

    • Un impuls de radiofrecventa cu frecventa egala cu frecventa de precesie (camp magnetic B1 de-a lungul axei Ox)-> aport de energie -> protonii cu energie joasa (paraleli cu campul) trec in starea cu energie ridicata (antiparaleli cu campul)

    • La incetarea impulsului sistemul revine la starea initiala -> genereaza camp electromagnetic -> semnal RMN

    • Valorile campului magnetic extern sunt cuprinse intre 0,5 si 7 T

    APIM11 - 19

    Rezonanta si excitatie (1)

    APIM11 - 20

    Rezonanta si excitatie (2)

    Semnal de inductie libera (free induction decay – FID)

  • 6

    APIM11 - 21

    Rezonanta si excitatie (3)

    APIM11 - 22

    Rezonanta si excitatie (4)

    Impuls de 90 Impuls de 180

    APIM11 - 23

    Rezonanta si excitatie (5)

    +

    APIM11 - 24

    Rezonanta si excitatie (6)

  • 7

    APIM11 - 25

    Rezonanta si excitatie (7)

    Efectul impulsului RF asupra vectorului de magnetizatie

    APIM11 - 26

    Rezonanta si excitatie (8)

    APIM11 - 27

    Constante de relaxare (1)

    • Constanta de relaxare longitudinala T1 – timpul necesar ca magnetizarea longitudinala Mz sa revina la valoarea de 63% din valoarea initiala, dupa ce s-a aplicat un implus de 90°

    • Constanta de relaxare transversala T2 – atenuarea oscilatiei libere datorata interactiunii spin-spin; este exponentiala si este tipica fiecarui element

    • T1 > T2

    APIM11 - 28

    Constante de relaxare (2)

  • 8

    APIM11 - 29

    Relaxarea longitudinala T1 • magnetizarea longitudinala Mz paralela cu B0 -

    tranzitia protonilor intre nivelurile energetice de la E1

    la E2 (paraleli->antiparaleli) si revenirea de la E2 la E1

    • excitarea prin impuls de RF de 90 -> absorbtie de

    energie, disparitia Mz - stare instabila

    • incetarea impulsului = revenirea la starea stabila, Mz

    creste progresiv, are loc relaxarea longitudinala

    (relaxare spin-retea, relaxare T1)

    APIM11 - 30

    Relaxarea longitudinala T1

    - relaxarea longitudinala creste cu cresterea lui B0

    APIM11 - 31

    Relaxarea longitudinala T1 • variaza cu structura moleculara: este mai lung pentru

    lichide comparativ cu solidele (500 – 1000 ms)

    • relaxarea spin–retea este cu atat mai eficace cu cat

    frecventa coliziunilor este mai apropiata de frecventa de

    rezonanta Larmor

    • este mai scurt in tesuturile grasoase - molecule mari, lente

    • este mai lung in apa – molecule mici, rapide

    • cu cat lichidul este mai pur cu atat T1 creste; prezenta

    proteinelor in lichid scurteaza T1 • infiltratia hidrica in tesut (tumoare, edem, infarct)

    prelungeste T1 • Secvente ponderate in T1

    APIM11 - 32

    Relaxarea transversala T2 • magnetizarea transversala Mxy perpendiculara pe B0 -

    sincronizarea si defazarea spinilor

    • excitarea prin impuls de RF de 90 -> aparitia Mxy prin sincronizarea spinilor

    • incetarea impulsului -> defazarea rapida a protonilor

    (pierderea coerentei de faza a protonilor), Mxy

    descreste rapid, are loc relaxarea transversala

    (relaxare spin-spin, relaxare T2)

  • 9

    APIM11 - 33

    Relaxarea transversala T2

    - relaxarea transversala nu depinde de cresterea lui B0 APIM11 - 34

    Relaxarea transversala T2 • relaxarea spin–spin este consecinta interactiunii

    protonilor intre ei datorita neomogenitatii campului

    magnetic de origine moleculara

    APIM11 - 35

    Relaxarea transversala T2 • fenomenul de relaxare transversala nu implica schimburi

    de energie

    • variaza cu structura moleculara: este mai lung pentru

    lichide comparativ cu solidele sau tesuturile formate din

    molecule mari (50 - 100 ms)

    • este mai lung in apa – molecule mici, rapide produc o

    anulare a campurilor locale -> absenta “relativa” a micilor

    campuri magnetice locale care favorizeaza rel. trans.

    • este mai scurt in solide sau in cazul moleculelor mari

    • infiltratia hidrica in tesut (tumoare, edem, infarct)

    prelungeste T2 • Secvente ponderate in T2

    APIM11 - 36

    Valori constante de relaxare

    Ţesut T1; 0,5T(ms) T1; 1,5T(ms) T2 (ms)

    Ţesut adipos 210 260 80

    Ficat 350 500 40

    Muşchi 550 870 45

    Materia albă 500 780 90

    Materia cenuşie 650 900 100

    Lichid cefalo-

    rahidian

    1800 2400 160

  • 10

    APIM11 - 37

    Semnalul de inductie libera (FID)

    APIM11 - 38

    Notiunea de T2*

    • la nivel macroscopic B0 este

    omogen -> descrestere FID dupa

    o curba descrescatoare in T2

    • la nivel microscopic insa exista o

    serie de neomogenitati de camp

    B0 de origine instrumentala sau

    proprie care accentueaza

    defazarea spinilor -> descrestere

    FID dupa o curba descrescatoare

    in T2*

    APIM11 - 39

    Secventa ecou de spin • este secventa de baza

    • in 1955 Hahn a propus aceasta metoda care ne ajuta sa

    scapam de neomogenitatile proprii campului magnetic

    principal extern B0 si permite masurarea lui T2

    • neomogenitatile campului magnetic B0 sunt constante

    -> aplicarea unui impuls de RF de 180 duce la

    anularea defajazelor induse de B0

    • dupa o perioada TE/2 de la aplicarea impulsului de RF

    de 90 se aplica un impuls de RF de 180 ->inversarea

    defazajelor fara modif. sensului de rotatie

    APIM11 - 40

    Secventa ecou

    de spin

  • 11

    APIM11 - 41

    Secventa ecou de spin

    APIM11 - 42

    Fenomenul de ecou de spin

    APIM11 - 43

    Cronologia evenimentelor

    -citirea unei

    singure linii

    APIM11 - 44

    Cronologia imp. RF pentru obtinerea

    tuturor liniilor dn imagine

  • 12

    APIM11 - 45

    Ecoul de spin • secventa cea mai folosita in imagistica

    • calitate excelenta a imaginii (prin ponderare in T1 si

    T2 si alegerea corespunzatoare a lui TR si TE)

    • dezavantaj – dureaza mult

    • De ex. daca se aplica impulsul de RF 180 dupa 10

    ms, atunci TE = 15-20 ms, ceea ce e mult pentru o

    secventa ponderata in daca T1

    APIM11 - 46

    Contrast in T1, T2 si densitatea protonica • contrastul= traducerea semnalului RMN in tonuri de

    gri

    • diferentele in timpi de relaxare (chiar pana la 500%)

    si diferentele in densitatea de protoni (intr-o masura

    mica 0-15%)

    • T1, T2 si densitatea de protoni intervin intotdeauna in

    grade diferite

    • alegerea parametrilor secventei favorizeaza unul

    dintre acesti factori

    APIM11 - 47

    Variatia magnetizarii transv. si long.

    APIM11 - 48

    Relatia dintre magnetizarea transv. si long.

    - TE determina momentul

    masurarii

    - TR determina nivelul de

    crestere al mag. long

    (semnalul diponibil)

  • 13

    APIM11 - 49

    Influenta TR

    • TR lung (daca TR=4T1 ->

    (98% din crestere )

    • TR scurt (daca TR

    (crestere de maxim 63%)

    TR conditioneaza contrastul in T1,

    adica ponderarea in T1 a unei

    secvente

    APIM11 - 50

    Influenta TR • fie doua tesuturi R, L cu

    valori ale lui T1 diferite

    • TR lung (2 s) – diferenta

    mica a magnetizarii

    • TR scurt (0,5s) ->

    semnalul pentru R este

    mai puternic (mai alb)

    decat al tesutului L –

    avem contrast in T1

    APIM11 - 51

    Influenta TE • fie doua tesuturi R, L cu

    valori ale lui T2 diferite

    • TE scurt (mai mic de 20-

    30ms) –> diferenta mica,

    nu pot fi diferentiate

    • TE lung (>80-100ms) ->

    semnalul pentru L este

    mai puternic (mai alb)

    decat al tesutului R –

    avem contrast in T2

    APIM11 - 52

    Secventa scurta ponderata in T1 • TR scurt (400-600ms)

    • TE scurt (20ms)

  • 14

    APIM11 - 53

    Secventa lunga ponderata in T2 • TR lung (2000ms)

    • TE lung (120ms)

    APIM11 - 54

    Secventa ponderata in densitatea de prot. • TR lung (2000ms)

    • TE scurt (30-40ms)

    • Contrast slab, 10-15%

    APIM11 - 55

    Ponderarea in T1

    • Substanta alba - timpi de relaxare scurti

    • LCR – timpi de relaxare lungi

    • Substanta cenusie – timpi de relaxare de valori interm.

    APIM11 - 56

    Ponderarea in dens.prot si in T2

    Ponderare in densitate TE=40ms Ponderare in T2, TE=120ms

  • 15

    APIM11 - 57

    Fenomene patologice

    Ponderare in T1 Ponderare in T2, TE=120ms

    APIM11 - 58

    Secventa de

    inversare-recuperare

    APIM11 - 59

    Produsi de contrast • reduc timpii de relaxare

    • agenti T1 si agenti T2

    • agenti T1: subst. paramagnetice, Gd (dotarem,

    magnevist, omniscan)

    • agenti T2: subst. super-paramagnetice (magnetita)

    sau feromagn. (de ex. pentru ficat se util. Magnetita –

    se depune pe parenchimul sanatos - negru)

    APIM11 - 60

    Exemplu: meningiom al calotei

    Fara agent de contrast Cu agent de contrast: Gd Dota

  • 16

    APIM11 - 61

    Codaj spatial

    APIM11 - 62

    Codajul spatial al imaginii

    - Gradient de selectie Gss –plan

    - Gradient de codaj de faza G-linii

    - Gradient de frecventa G - coloane

    APIM11 - 63

    Selectia planului de sectiune

    APIM11 - 64

    Codajul de faza

  • 17

    APIM11 - 65

    Codajul de faza si de frecventa

    APIM11 - 66

    Codajul spatial al imaginii

    APIM11 - 67

    Secventa IRM

    APIM11 - 68

    Generarea imaginii

  • 18

    APIM11 - 69

    Impulsul de radiofrecventa • Masurarea selectiva a T2, T1 si a densitatii de spin a

    tesuturilor -> obtinerea de imagini RMN cu contrast diferentiat

    • Alegerea formei, duratei, numarului, polaritatii frecventei de repetitie a impulsurilor si a gradientilor de camp magnetic aplicat -> masurarea selectiva

    • Trei tipuri de secvente ale impulsurilor: – Spin echo

    – Inversion recovery

    – Gradient recalled echo

    APIM11 - 70

    Structura unui echipament cu RMN

    APIM11 - 71

    Magnetul

    • Inductia magnetica: 0,2-2T

    • Magneti:

    –Permanenti: 0,1-0,3 T

    –Electromagneti: < 0,15 T (bobine racite cu

    apa)

    –Electromagneti supraconductori: < 7 T

    APIM11 - 72

    Electromagneti supraconductori (1)

    • Fenomenul de supraconductibilitate ( la temp

    de -273° K)

    • Conductoarele din aliaje de titan si niobiu

    • Temp de 4,7° K in heliu lichid

    • Unifomitatea campului

  • 19

    APIM11 - 73

    Electromagneti supraconductori (2)

    Dezavantaje: • costuri initiale ridicate • costurile materialelor criogenice • dificultatea de a intrerupe campul magnetig in urgente

    APIM11 - 74

    Bobine

    • de uniformizare a campului – pt omogenizarea campului principal in interiorul tunelului magnetic

    • de gradient – realizeaza variatia liniara, controlata a campului de-a lungul celor trei directii; zgomot ritmic in timpul functionarii

    • de radiofrecventa – emit impulsuri de radiofrecventa si receptioneaza semnalul de rezonanta magnetica

    APIM11 - 75

    Uniformitatea campului magnetic

    • Unifomitatea campului constanta

    gradientului;

    • Variatia inductiei magnetice dupa fiecare directie

    trebuie sa fie strict liniara

    • Reglarea gradientilor = problema principala in

    dispoz. RMN

    • Forma magnetilor: geometrii inchise si deschise

    APIM11 - 76

    Generarea gradientilor

    • Permit determinarea coordonatelor fiecarui punct

    din zona examinata

    • sunt produsi de bobine, prin suprapunere de

    campuri magnetice

    • Valori tipice ale gradientilor utilizati: 1-50 mT/m

    • Timpul de crestere: 5-250 mT/m/ms

    • Limitarile apar datorita curentilor turbionari

  • 20

    APIM11 - 77

    Generarea gradientilor (2)

    APIM11 - 78

    Generarea gradientilor (3)

    APIM11 - 79

    Variatia frecventei de precesie

    APIM11 - 80

    Variatia frecventei de precesie (2)

  • 21

    APIM11 - 81

    Diferenta de frecventa

    • un gradient de 10 mT/m -> determina o variatie de

    frecventa de 10 mT/m · 42,58 MHz/T · 1 T/1000 mT

    = 0,4258 MHz/m sau 425,8 kHz/m.

    • ca urmare diferenţa de frecvenţă între două felii

    adiacente de grosime de 1 mm este de 425,8/1000

    kHz = 425,8 Hz

    • localizarea unui proton in 3D necesita aplicarea a trei

    gradienti diferiti pe durata unui impuls de

    radiofrecventa

    APIM11 - 82

    Sistemul de radiofrecventa

    • bobine de emisie

    • bobine de receptie

    • bobinele trebuie sa rezoneze la frecventa Larmour

    • bobinele sunt acordate inaintea fiecarei achizitii in

    functie de inductanta pacientului

    • forma bobinelor de receptie apropiata de forma

    structurii anatomice studiate

    • ecranarea echipamentelor in custi Faraday

    APIM11 - 83

    Controlul calitatii

    • Verificari periodice: – inductia campului magnetic,

    – omogenitatea campului magnetic

    – liniaritatea gradientilor

    – acordul sistemului de radiofracventa

    – optimizarea bobinelor de receptie

    – sursele externe de zgomot

    – sursele de alimentare

    – echipamente periferice

    – sisteme de control

    APIM11 - 84

    Aparat RMN produs de General Electric

  • 22

    APIM11 - 85

    Aparat RMN produs de Philips (1T)

    APIM11 - 86

    Aparat RMN de tip G-Scan, Esaote

    Biomedica (0,38T)