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