Post on 07-Sep-2019
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
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
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 - 13
Miscarea de precesie (1) • Pe langa orientarea paralela cu liniile de camp
apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic
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
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 - 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 - 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 - 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)
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
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 - 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 - 48
Relatia dintre magnetizarea transv. si long.
- TE determina momentul
masurarii
- TR determina nivelul de
crestere al mag. long
(semnalul diponibil)
APIM11 - 49
Influenta TR
• TR lung (daca TR=4T1 ->
(98% din crestere )
• TR scurt (daca TR<T1 ->
(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 - 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
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 - 62
Codajul spatial al imaginii
- Gradient de selectie Gss –plan
- Gradient de codaj de faza G-linii
- Gradient de frecventa G - coloane
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 - 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
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
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