TECHNICKÉ PROSTRIEDKY MEDICÍNY

TECHNICKÉ PROSTRIEDKY MEDICÍNY Magnetická rezonancia

Zobrazovanie metódounukleárnej magnetickej rezonancieNMR - MRI • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Nobelova cena 1952 za fyziku„Developmentof new ways and methods for nuclear magnetic precision measurements“ FelixBloch 1905 – 1983 Švajčiarsko EdwardMillsPurcell 1912 – 1997 USA • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Nobelova cena 1991 za chémiu"for his contributions to thedevelopmentofthemethodologyofhighresolutionnuclearmagnetic resonance (NMR) spectroscopy" Nobelova cena 2002 za chémiu"for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution" Richard R. Ernst nar. 1933 Švajčiarsko Kurt Wüthrich nar. 1938 Švajčiarsko • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Nobelova cena 2003 za fyziológiu"fortheirdiscoveriesconcerningMagneticResonanceImaging" Paul C. Lauterbur nar. 1929 USA Sir Peter Mansfield nar. 1933 VeľkáBritánia • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

B ωL m α L Obr.3.1. Precesný pohyb magnetického dipólu v magnetickom poli. Precesia magnetického dipólu • m = γ L, • γ - gyromagnetický pomer • Larmorova uhlová frekvencia • protónfL = 42,65 MHz/T • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Magnetizácia prostredia Energia magnetického dipólu v magnetickom poli Ep = Ep0m ∙ B Rozdelenie pravdepodobnosti Magnetizácia sústavy dipólov Pre slabé pole m B << kBT je magnetizácia lineárna Pre protóny a B  10 T jemB/kBT 10-4 • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

ωL B0 α L B1 Magnetická rezonancia Striedavé magnetické pole kolmé na os precesie B1= Bmsin  t Spôsobuje zmenu uhla precesie  Zmena potenciálnej energie pri zmene  Ep =  (-m B0cosα) = m B0sinαα Práca striedavého poľa Pre stav rezonancie  = L a  = /2 rad je stredná hodnota práce nenulová a z rovnosti Ep = W dostaneme • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

α= 0 ωL B0 m α α= 90° B1 α= 180° Magnetická rezonancia Na začiatku je  = 0 Magnetizácia je rovnovážna M0 RF impulz pre 90 = /2 rad 90 = /(2 Bm) Stredná hodnota magnetizácie nulová Koherentná precesia dipólov a teda celej magnetizácie M0 RF impulz pre 180 =  rad 180 = /( Bm) Magnetizácia sa zmení na opačnú M0 (nerovnovážnu) • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Vznik FID signálu FID – FreeInducedDecay B0 Priečna zložka magnetizácie pôsobí ako rotujúci magnet a indukuje v detekčnej cievke striedavé napätie s frekvenciou fL M L B1 uFID = d/dt  M sin Lt uFID Metóda MRI vychádza z detekcie a spracovania tohto FID signálu. • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Relaxácia T1 Po ukončení RF impulzu je sústava dipólov v nerovnovážnom stave a z tohto stavu relaxuje nazad do stavu rovnovážneho s magnetizáciu M0 Relaxácia pozdĺžnej zložky M je dôsledkom tepelného pohybu dipólov Relaxácia má exponenciálny charakter s časovou konštantou T1 200 až 2000 ms podľa fyzikálnych vlastností látky Táto relaxácia nie je priamo merateľná, meria sa sprostredkovanými metódami • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Relaxácia T2 Priečna zložka M sa vyznačuje jednak smerom kolmým na B0 jednak koherenciou precesie dipólov • Relaxácia priečnej zložky M je dôsledkom • tepelného pohybu (tento vplyv je pomalý s časovou konštantou T1 • náhodnej spin-spinovej interakcie dipólov s časovou konštantou T2 • lokálnej nehomogenity magnetického poľa B0 s časovou konštantou Tn Relaxačný čas T2  30  150 ms <<T1a závisí od vlastností látky Tn = 1/( B0) – potreba veľmi starostlivej korekcie nehomogenity poľa B0 Pre výsledný relaxačný čas priečnej magnetizácie T2* platí FID signál Čas T2 nie je priamo merateľný a používa sa sprostredkované meranie – napr. spinové echo • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Charakteristické relaxačné časy • MRI zobrazuje rôzne tkanivá a rozlišuje ich podľa rôznych relaxačných časov • používa sa T1 zobrazovanie a T2 zobrazovanie • každé zobrazovanie má iný kontrast pre rôzne tkanivá • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Relaxácia zo stavu priečnej magnetizácie Relaxácia zo stavu priečnej magnetizácie po aplikácii 90° RF impulzu Vysiela sa budiacou cievkou séria RF impulzov s opakovacou periódou TR Za čas medzi impulzmi je relaxácia pre TR >> T2 opísaná vzťahom pre pozdĺžnu zložku magnetizácie Následnou aplikáciou 90° impulzu sa táto zložka mení na priečnu a tá sa deteguje ako FID signál Mozgovo-miechová tekutina, biela mozgová hmota, (3) edém • Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo –2011/12

Relaxácia zo stavu inverznej magnetizácie Relaxácia zo stavu inverznej magnetizácie po aplikácii 180° RF impulzu Po uplynutí času TE < TR je pozdĺžna magnetizácia Aplikuje sa 90° impulz – zmena na priečnu Za časTR-TE sa obnoví pozdĺžna zložka Po uplynutí TR sa aplikuje opäť 180° impulz sústava relaxuje zo stavu Mz2 do stavu za TE Mozgovo-miechová tekutina, biela mozgová hmota, (3) edém Aplikuje sa 90° impulz – zmena na priečnu Vyhodnocuje sa pre známe hodnoty T1

Spinové echo Meria sa relaxačný čas T2 Najprv sa 90° RF impulzom zmení magnetizácia na priečnu Počiatočný signál uFID(0) = u0 = k M0 Signál klesá s konštantou T2* < TR < T2 Za čas TR sa aplikuje 180° impulz, čím dôjde k inverzii precesie a teda aj priečnej zložky – proces rozfázovanianahomogenitouB0 prebehne v opačnom slede – vykompenzuje sa Po uplynutí času TR sa obnoví počiatočný stav redukovaný o relaxáciu v dôsledku náhodných spin-spinových interakcií, tzn. s relaxačným časom T2 Po celkovom uplynutí času 2TR sa objaví FID signál – spinové echo Čas T2 sa určí z nameraných napätí

Oblúk aorty Funkčné MRI Aktivita mozgu

TECHNICKÉ PROSTRIEDKY MEDICÍNY