14
1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 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, 1 ½,... Se obtin date spectroscopice referitoare la un material situat in camp magnetic puternic IM4 - 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 IM4 - 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

Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

  • Upload
    others

  • View
    82

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

1

IM4 - 1

Rezonanta magnetica nucleara

IM4 - 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, 1

½,...

• Se obtin date spectroscopice referitoare la un material

situat in camp magnetic puternic

IM4 - 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

IM4 - 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

Page 2: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

2

IM4 - 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)

IM4 - 6

Magnetism (3) • Dipoli

• Inductia magnetica B

– Tesla (T)

– Gauss (G): 1 T=10 000 G

• Campul terestru 1/20000 T

IM4 - 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) IM4 - 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

Page 3: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

3

IM4 - 9

Momentul magnetic

Campul magnetic al protonului Momentul magnetic (M)

IM4 - 10

Momentul magnetic (2)

Orientarea aleatoare Orientarea in camp magnetic extern

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

IM4 - 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

IM4 - 12

Momentul magnetic (4)

Page 4: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

4

IM4 - 13

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

apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic

IM4 - 14

Miscarea de precesie (2)

IM4 - 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

IM4 - 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

Page 5: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

5

IM4 - 17

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 3 T

IM4 - 18

Miscarea de dubla precesiune

11 B

IM4 - 19

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

IM4 - 20

Rezonanta si excitatie (1)

Page 6: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

6

IM4 - 21

Rezonanta si excitatie (2)

Semnal de inductie libera (free induction decay – FID)

IM4 - 22

Rezonanta si excitatie (3)

IM4 - 23

Rezonanta si excitatie (4)

Impuls de 90 Impuls de 180

IM4 - 24

Rezonanta si excitatie (5)

+

Page 7: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

7

IM4 - 25

Rezonanta si excitatie (6)

IM4 - 26

Rezonanta si excitatie (7)

Efectul impulsului RF asupra vectorului de magnetizatie

IM4 - 27

Rezonanta si excitatie (8)

IM4 - 28

Rezonanta si excitatie (9) • Constanta de relaxare transversala T2 – atenuarea

oscilatiei libere datorata interactiunii spin-spin; este exponentiala si este tipica fiecarui element

• 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°

• T1 > T2

Page 8: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

8

IM4 - 29

Rezonanta si excitatie (10)

IM4 - 30

Rezonanta si excitatie (12)

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

IM4 - 31

Rezonanta si excitatie (13)

IM4 - 32

Rezonanta si excitatie (14)

Page 9: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

9

IM4 - 33

Rezonanta si excitatie (15)

IM4 - 34

Codajul spatial al imaginii (1)

IM4 - 35

Codajul spatial al imaginii (2)

IM4 - 36

Codajul spatial al imaginii (3)

Page 10: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

10

IM4 - 37

Codajul spatial al imaginii (4)

IM4 - 38

Selectarea planului (3)

IM4 - 39

Impulsul de radiofrecventa • Masurarea selectiva a T2, T1 si 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

IM4 - 40

Structura unui echipament cu RMN

Page 11: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

11

IM4 - 41

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

IM4 - 42

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

IM4 - 43

Electromagneti supraconductori (2)

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

IM4 - 44

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

Page 12: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

12

IM4 - 45

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

IM4 - 46

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

IM4 - 47

Generarea gradientilor (2)

IM4 - 48

Generarea gradientilor (3)

Page 13: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

13

IM4 - 49

Variatia frecventei de precesie

IM4 - 50

Variatia frecventei de precesie (2)

IM4 - 51

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

IM4 - 52

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

Page 14: Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 IM4 - 1 Rezonanta magnetica nucleara IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen

14

IM4 - 53

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

IM4 - 54

Aparat RMN produs de General Electric

IM4 - 55

Aparat RMN produs de Philips (1T)

IM4 - 56

Aparat RMN de tip G-Scan, Esaote

Biomedica (0,38T)