Click here to load reader

Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4.pdf · IM4 - 2 Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Fenomen fizic – studiul spectroscopic al proprietatilor

  • View
    41

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4.pdf · IM4 - 2...

  • 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

  • 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

  • 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)

  • 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

  • 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)

  • 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)

    +

  • 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

  • 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)

  • 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)

  • 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

  • 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

  • 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)

  • 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

  • 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)