Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie

1. Pompowanie optyczne 3He Zastosowanie w medycynie Joanna i Łukasz Gut

2. Plan • Rezonans magnetyczny - na czym polega - MR płuc • Pompowanie optyczne 3He - SEOP - MEOP - porównanie • Obrazowanie - sekwencja impulsów w „zwykłym” MRI - sekwencja impulsów w MRI 3He - tomografy - SNR • Zastosowanie w medycynie – diagnostyka

3. Magnetic Resonance • Mapy gęstości jąder wodoru lub innych pierwiastków, których jądra mają niezerowy moment magnetyczny – 23Na, 31P,13C,19F. • Próbkę umieszczamy w silnym zew. polu magnetycznym – rozszczepienie zeemanowskie podpoziomów jądrowych. • Stosunek wartości obsadzeń - obsadzenia podpoziomów zeemanowskich • Stopieńpolaryzacji jest miarą wypadkowego momentu magnetycznego próbki.

4. MR • Opis makroskopowy - wektorowy moment magnetyczny jednostki objętości, tzw. namagnesowanieM • Próbkę umieszczamy w cewce nadawczo-odbiorczej. • Podajemy impuls rf o częstości rezonansowej dopasowanej do różnicy jądrowych poziomów energetycznych ω0=γB0, γ – współczynnik giromagnetyczny, B0 – indukcja zewnętrznego pola magnetycznego. • W wyniku impulsu – obrót M o pewien kąt względem B0.

5. MR • M precesuje, Mxy indukuje w cewce odbiorczej sygnał FID – freeinductiondecay (sygnał swobodnej precesji). • Sygnał zanika po pewnym czasie, namagnesowanie wraca do położenia początkowego. • Amplituda – informacja o gęstości jąder • Czas zaniku – informacja o otoczeniu chemicznym

6. MRI Description: animated sequence of saggital transections through the human brain. The nose is to the left. Source: this is my very own brain. MRI, 10/13/2000 Author: Christian R. Linder

7. MRI Made from an fMRI scan I had done. Goes from the top of my brain straight through to the bottom. That little dot that appears for a second on the upper-left hand side is a vitamin E pill they taped to the side of my head to make sure they didn't accidentally swap the L-R orientation.

8. MR płuc • Stopień polaryzacji P ~ 10-6 dla pola ~ 1T, w temp. pokojowej, ale wystarczający dla gęstych próbek (tkanki miękkie). • Płuca – obszar o małej gęstości, podczas wydechu ogólna gęstość ~ 0,3 g/cm3 – średnie namagnesowanie zbyt małe. • Sposób na MR płuc – wypełniamy je hiperspolaryzowanym (HP) gazem, stopień polaryzacji P do 80 %. • Używane 2 stabilne izotopy o spinie jądrowym ½ - 3He i 129Xe. 1H 3He

9. Polaryzacja 3HePompowanie optyczne Pompowanie optyczne 3He SEOP MEOP Spin-Exchange Optical Pumping Metastability-Exchange Optical Pumping wymiana spinu z napompowanymi optycznie parami gazu alkalicznego bezpośrednie pompowanie helu + wymiana metastabilności

10. SEOP • Możliwe dla dowolnego gazu szlachetnego o niezerowym spinie jądrowym; w szerokim zakresie ciśnień - do 10 atm*. • W komórce gaz szlachetny z niewielką domieszką N2 + ok. 0,5 g metalu alkalicznego, najczęściej Rb. • Faza 1 – OP Rb – schemat na rysunku poniżej. Schemat depopulacji OP w Rb *Pożyteczny link – zamiana jednostek ciśnienia: http://www.lw.cad.pl/jedn/jedn_cisn.htm

11. SEOP • Faza 2 – zderzenia spolaryzowanego Rb z 3He – przekrycie funkcji falowych elektronu walencyjnego Rb i jądra 3He – wymiana spinu • Po zderzeniu atom Rb pompowany ponownie (OP jest ciągłe) • Stopień polaryzacji 3He jest eksponencjalną f-cją czasu - współczynnik podłużnej relaksacji 3He pod nieobecność Rb - stopień polaryzacji spinu e- w Rb wyśredniowany po t i V - współczynnik wymiany spinu ~ do ilości atomów Rb

12. MEOP • Bezpośrednie pompowanie gazu szlachetnego • Faza 1 – OP 3He: - przeniesienie atomów ze stanu podstawowego 11S0 do stanu metatrwałego 23S1, wyładowanie rf bo przejście optycznie wzbronione - OP z wykorzystaniem przejścia 23S1 (F=½) –> 23P0 (F=½)

13. MEOP • Rozszczepienie podpoziomów zeemanowskich w słabym zewnętrznym polu magnetycznym B0. • Komórkę z gazem, w której zachodzi wyładowanie rf oświetlamy światłem spolaryzowanym σ+ o dł. 1083 nm • Wynik OP – zwiększenie obsadzenia podpoziomu 23S1 o mF=+ ½ równoznaczne z polaryzacja całkowitego spinu atomu: powłoka elektronowa + jądro (sprzężenie nadsubtelne)

14. MEOP • Faza 2 – zderzenie z wymianą metatrwałości, bo do obrazowania potrzebujemy spolaryzowanego 3He w stanie podstawowym. • Spolaryzowany atom w stanie metatrwałym 23S1 zderza się z z niespolaryzowanym atomem w stanie podstawowym 11S0. • Wynik zderzenia – atom spolaryzowany jądrowo w stanie podstawowym 11S0 (F= ½, mF=+½) i atom niespolaryzowany w stanie metatrwałym 23S1, który może być ponownie spolaryzowany.

15. MEOP Schemat układu do polaryzacji optycznej 3He 3He w komórce pod ciśnieniem 1-10 Tr (1 Tr = 0,00136 atm) , stąd konieczność kompresji o czynnik ~ 100, aby uzyskać ciśnienie atmosferyczne.

16. SEOP Efektywność polaryzacji w zderzeniach Rb – 3He ~ 0,05 Czas potrzebny na polaryzację ~ kilku godzin Nie ma konieczności kompresji Tańszy laser Bardziej „mobilny” układ MEOP Efektywność polaryzacji w zderzeniach 3He – 3He ~ 1 Czas potrzebny na polaryzację ~ kilka dziesiątych sekundy Konieczność kompresji Droższy laser Mniej „mobilny” układ SEOP a MEOP Porównanie za H.E. Möller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)

17. Obrazowanie Sekwencja impulsów w „zwykłym” MRI Zachowanie się magnetyzacji M w układzie wirującym. • M ma kierunek osi z. • Po impulsie π/2 M ma kierunek osi y. • Wskutek rozsypywania się M w wachlarz sygnał zanika. • Układ po impulsie π. • Układ po czasie τ od impulsu π, M indukuje echo spinowe.

18. Obrazowanie Sekwencja impulsów w MRI 3He • Zasada otrzymywania obrazu jest analogiczna jak w „zwykłym” protonowym MR. • Zasadniczą różnicę jednak zauważa się w stosowanych metodach impulsowych do wyprowadzenia wektora magnetyzacji z położenia równowagowego. • W przypadku 3He nie można zastosować standardowej sekwencji echa spinowego (π/2 – π) gdyż po przeprowadzeniu magnetyzacji na płaszczyznę xy, nie ma możliwości powtórzenia sekwencji bez wprowadzenia nowej porcji spolaryzowanego optycznie helu (skutek brak związku polaryzacji P i pola B0). • Do obrazowania spolaryzowanym 3He, stosuje się zatem inną sekwencję – z echem gradientowym i ze wzbudzeniem niskokątowym (sekwencję FLASH).

19. Echo gradientowe • W odróżnieniu od echa spinowego wywołane jest poprzez przyłożenie pól gradientowych G1 i G2 o przeciwnych kierunkach. • Przyłożenie dodatniego (G1>0) gradientu skutkuje rozfazowaniem spinów. • Przyłożenie po pewnym czasie gradientu przeciwnego (G2<0) spowoduje odtworzenie koherentnej precesji spinów i generację sygnału echa.

20. Sekwencja FLASH • Konieczność stosowania impulsów niskokątowych (α<π/2) pozwala na zastosowanie czasów repetycji, pomiędzy kolejnymi eksperymentami pojedynczymi, znacznie krótszych od czasu relaksacji T1. • Sekwencja powtarzana jest n razy dla różnych wartości amplitudy gradientu kodowania fazy – Gy.

21. Tomografy [gr. tomós ‘cięty’, ‘tnący’, gráphō ‘piszę’] Zasada konstrukcji tomografów dla 3He i protonów taka sama • Różne parametry techniczne elementów tomografu • Inna częstość pola generowanego przez cewki ω0=γB0: - dla 1H ω0/2π= 48 MHz/T - dla 3He ω0/2π= 32,4 MHz/T • W przypadku 3He nie ma konieczności użycia wysokich pól B0 – stopień polaryzacji nie zależy od wartości pola. Tomograf MRI

22. Tomograf 3He Układ do obrazowania MR z magnesem stałym (stosowane pole B0 ~ 0,088 T osiągane jest przez magnesy stałe) Dodatkowa zaleta – SNR niezależne od ω0 dla HP MR

23. SNR HP MR MR vs. Polaryzacja nierównowagowa Polaryzacja równowagowa SNR nie zależy od ω0 SNR ~ ω0 N ~ ω0 dla częstości ω0/2π powyżej kilku MHz („experience shows”)

24. Diagnostyka • Obrazowanie zmian chorobowych u chorych na astmę

25. Diagnostyka • Obrazowanie zmian u osób palących Płuca osoby niepalącej Płuca osoby palącej

26. Diagnostyka • Obrazy 3D

27. Diagnostyka • Badanie przepływu gazu

28. Bibliografia • K. Cieślar, T. Dohnalik, Postępy Fizyki55, 123 (2004) • H.E. Möller i in., Magn. Reson. Med.47, 1029 (2002) • J.Stankowski, W. Hilczer, Pierwszy krok ku radiospektroskopiirezonansów magnetycznych, OWN Poznań 1994, str. 9-53 Dziękujemy Bartkowi Głowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium!

29. Koniec Dziękujemy za uwagę!