Rezonans magnetyczny

Inżynieria biomedyczna Bazy biomedyczne Semestr (v) rok 2014/15 Piotr Gacek

1 O rezonansie

2 Historia rezonansu

3 Przydatne wzory

4. Zastosowanie w medycynie

5 Zastosowanie rezonansu w innych dziedzinach

6 Wady i zalety rezonansu

7 Bibliografia

1 O rezonansie

Wielu ludzi dyskutuje nad 2 aspektami rezonansu jedni uważają iż badanie to opiera się głównie na obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego inni iż jest to spektrometria magnetyczna rezonansu jądrowego. Obrazowanie rezonansu w tej dziedzinie posiada ugruntowane znaczenie w diagnostyce medycznej jak i w badaniach zwierzęcych in-vitro. „ Jednocześnie jest to metoda podlegająca ciągłemu intensywnemu rozwojowi. Spośród różnych technik obrazowania stosowanych w medycynie daje unikalne możliwości uzyskania precyzyjnych obrazów pozwalających rozróżnić tkanki w oparciu o ich specyficzne właściwości fizyczne takie jak np. gęstość protonowa, czas relaksacji czy składowe tensory dyfuzji wody” [1] Metody obrazowania rozwijają się w wielu kierunkach np. w stronę zastosowania silnych pól magnetycznych ( liczba 3.0T lub wyższe) Silne pole magnetyczne w pozytywny sposób wpływa na dokładność i ostrość otrzymanych obrazów oraz szybkość ich wykonywania. Poza tym pozwalają na wykrywanie chorób (np. Alzheimera). Oraz zastosowanie pól niskich takich jak -0.2 T. Przy zastosowaniu do specjalistycznie dedykowanych organów lub struktur (np. w ortopedii). Występuje także zastosowanie nowych pomysł którym jest operacja śródoperacyjna ( wykonywanie zdalnych operacji mózgu). Najnowszym sposobem używania rezonansu jest mechanizm nazywany obrazowaniem molekularnym. Poprzez użycie konkretnych kontrastów wchodzące w reakcje z tkankami ( brak negatywnych skutków tylko bezpieczne połączenie ( głęboka biotolerancja)) i oddziaływanie na ten kontrast przy pomocy rezonansu z jej jądrami protonowymi.

Następnym odgałęzieniem jest magnetyczny rezonans spinowy. „MRS jest związany z absorbcją energii szybkozmiennego pola magnetycznego, jaka towarzyszy zmianie orientacji spinów elektronu ( EPR) i jąder ( NMR) w zewnętrznym polu magnetycznym.” [2]. Wynika z tego iż najważniejszym czynnikiem w tym wypadku jest liczba spinowa ms ( z chemii liczba odpowiedzialna za liczbę spinów w pierwiastku i przyjmuje wartość ½) „Cewka RF jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na czas akwizycji i jakości obrazu w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Było wiele ważnych zmian technicznych w radiowych konstrukcji cewki, które napędzane przez szybki wzrost liczby dostępnych kanałów RF”[3]

2 Historia rezonansu

Historia NMR

1937 Rabi przewidział i zaobserwował zjawisko NMR w fazie gazowej

1946 Bloch, Purcell pierwsze widma NMR dla próbki ciekłej

1952 Pierwszy komercyjny spektrometr NMR

1953 Overhauser – zjawisko Overhauser’a (NOE - nuclear Overhauser

effect)

1962 Pierwszy magnes „nadprzewodnictwa”

1966 Ernst, Anderson - transformacja Fourier’a w NMR

1975 Jeener, Ernst - 2D NMR

1985 Wüthrich - pierwsza 3D struktura małego białka (BPTI) w

roztworze wykorzystując dane z NOE

1987 3D NMR, znaczenie protein izotopami 13C, 15N

1990 Zastosowanie pulsów gradientowych – usunięcie zakłóceń

1996 Wartości kątów torsyjnych z widm TROSY (3D protein > 100 kDa)

2010 Aktywnie ekranowany magnes 1000 MHz (Bruker)

Historia NMR – nagrody Nobla

1944 Fizyka Rabi (Columbia) (opracowanie metody pozwalającej na mierzenie magnetycznych właściwości jąder atomowych)

1952 Fizyka Bloch (Stanford), Purcell (Harvard) (rozwój nowych precyzyjnych metod pomiarów magnetyzmu jądrowego)

1991 Chemia Ernst (ETH Zurich) (rozwój metodologii spektroskopii NMR wysokiej rozdzielczości, 2D, transformacja Fouriera)

2002 Chemia Wüthrich (ETH Zurich) (metody NMR, umożliwiające badanie 3D struktury makrocząsteczek w roztworach – Białka, kwasy nukleinowe).

2003 Medycyna Lauterbur (Urbana), Mansfield (Nottingham)

(wykorzystanie rezonansu magnetycznego w medycynie) [4]

3 Przydatne wzory

Pobrane przez sygnał sekwencji echa spinowego (θ 1- 2 θ2, TR ⪢ T1 )stosując te same cewki zarówno jako nadajnik, jak i odbiornik są wyrażone jako

I( r⃗ ) = Mρ ( r⃗ ) θR( r⃗ ) sinθ1( r⃗ )sin2θ2( r⃗ ) ( 1 - e- TR / T1) e- TE/ T2,

(1)

gdzie ρ(r ⃗ ) Jest gęstości protonowej θ R( r⃗ ) to funkcja odbiorcza cewki i M Urządzenie jest stała w tym wzmocnienia odbiornika. θ 1( r⃗ ) i θ 2( r⃗ ) Kąty są klapki z makroskopowej magnetyzacji wektora pierwszego rf trwania impulsu drugiego impulsu Rf, odpowiednio.

Aby stworzyć przestrzenną mapę rozkładu θ 1( r⃗ ) Dwa zdjęcia ( S 1 i S 2 ) Z różnych kątów klapki(θ 1, 2 θ1) Otrzymuje. Pod warunkiem, że θ 1( r⃗ ) = θ2( r⃗ ) / 2 = π/ 4 , Intensywności sygnałów wyrażono w następujący sposób:

S1( r⃗ ) = Mρ ( r⃗ ) θR( r⃗ ) sin ( θ1( r⃗ ) ) sin2( 2 θ1( r⃗ ) ) X[ TR , TE, T1 , T2 ]

(2)

S2( r⃗ ) = Mρ ( r⃗ ) θR( r⃗ )sin3( 2 θ1( r⃗ ) ) X[ TR , TE, T1 , T2 ]

(3)

Korzystanie z tych dwóch obrazów, przestrzenna mapa dystrybucji θ 1( r⃗ ) , Co stanowi rzeczywisty kąt klapki z wektorem namagnesowania makroskopowego w R ⃗ Jest obliczana w następujący sposób:

θ1( r⃗ ) = ARccOS [ S2( r⃗ ) / 2 S1( r⃗ ) ] .

(4)

Gdy cewka czułość θ R( r⃗ ) jest przestrzennie jednorodne [θ R( r⃗ ) = k ] , Obraz skorygowany bez B1 Niejednorodność pola jest obliczana w następujący sposób:

ρ ( r⃗ ) ( 1 - e- TR / T1) e- Te / T2= S2( r⃗ )Mkgrzech3{ 2arccos [ S2( r⃗ ) / 2 S1( r⃗ ) ] }.

(5)

[5]

Równania Maxwella musi być rozwiązany w określonych warunkach brzegowych obliczyć trybów TE i TM o PPWG.

Z odniesieniem, ⁹ mamy wówczas

∂2∂ z2Ey- ∂2∂ x2Ey= ω2ľ ε Ey,

(1)

gdzieμ=4π× 10- 7 H / m ,  ε = ε0εr,  ε0= 1 × 10- 9/ 36 π F / m ,  εr jest względna przenikalność i ω jest częstotliwość. Równanie (1) opisuje sposoby TE. Podobnie, poprzeczne tryby TM magnetyczne mogą być uzyskane, dzięki czemu

∂2∂ z2Ey- ∂2∂ x2Ey= - j Ohm ľ ( ∂∂ zEx- ∂∂ xEz) = ω2ľ ε Hy.

(2)

W celu określenia zarówno poprzeczne trybów magnetyczne i elektryczne, jest konieczne w celu rozwiązania EQs. .

A. Płyta równoległy falowodu trybów TE

Tryb TE ma wektora elektrycznego w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji, ale posiada składową pola magnetycznego równoległego do kierunku rozchodzenia się. Zastosowano następujące warunki brzegowe: E y= 0 gdyx  = 0, x  =  , a następnie

Ey= j E02( exp ( - j βxx ) - exp ( j βxx ) ) exp ( - j βzz) = E0sin ( βxx ) exp ( - j βzz) ,

(3)

gdzie E ₀ jest dowolną stałą i β jest stałą propagacji. Jeśli założymy, idealny przewodnik elektryczny z powyższych warunków brzegowych, sin(β x) = 0 , Więc β x= m πβ , m  = 1, 2, 3 ... Ponieważ m≠0 W przeciwnym razie, to oznaczałoby to, że pole elektryczne jest jednolita i styczna do płyt światłowodowych: nie jest prawdziwe rozwiązanie. Stała propagacji jest fala

β2= β2x+ β2z= ω2ľ ε .

(4)

Z równania. (4) stałe propagacji wzdłuż Z jest

βz= ω2ľ ε - ( m πa)2-------------√.

(5)

Teraz, β ≠ 0 Fale rozchodzą się wzdłużnie w PPWG, dla β > 0 Fale się równolegle wzdłuż płyt światłowodowych, oraz β < 0 fale szybko rozkładowi i nie będą propagować i tryby są nazywane tryby zanikających. Równanie (5) określakrytyczną lub odcięcia częstotliwości, która stanowi granicę między regionami przesyłowych i tłumienia

fc u t - o ff= m2 ľ ε--√,

(6)

dla m  = 1, 2, 3 ...

B. z płyty równoległe tryby falowodu TM

Poprzecznych fal magnetyczny może mieć elementów wzdłużnych i, ale w całości wzdłużnej pola elektrycznego z osiowego składnika pola magnetycznego jest

Hy= H02( exp ( - j βxx ) - exp ( j βxx ) ) exp ( - j βzz) = H0cos ( βxx ) exp ( - j βzz) ,

(7)

gdzie H ₀ jest dowolną stałą. Zakładając, że warunki brzegowe: x  = 0 i H y= H0 , a na x  =  ,cos(β x) = 1 następnie

βx= m π,m = 0 , 1 , 2 ...,

(8)

gdzie m  = 0 wskazuje, że Jednorodne pole magnetyczne styczna do płyt może być uformowana i jest nazywana w trybie TM. [6]

4 Zastosowanie w medycynie

Rezonans magnetyczny nie służy tyko do badań przeprowadzonych na tkankach mózgu lub organizmu może także służyć do przeprowadzania badań dających rzut na całą populację np. możliwości badania perfuzji serca człowieka. Z czego wynikają następujące hipotezy „zbadanie wykonalności i zatwierdź ilościowe perfuzji mięśnia sercowego za pomocą rezonansu magnetycznego układu sercowo-naczyniowego (CMR) z wysokiej rozdzielczości. Izolowane perfuzji metodą rezonansu magnetycznego (MR) kompatybilny wolne modelu serca”[7]. Są także przeprowadzane badania nad możliwością poprawiania nastroju lub niwelacją uszkodzeń powstałych po wystąpieniu jej. „Neuronowe markery depresji w okresie dorastania będzie charakteryzować porównanie strukturalne i funkcjonalne różnice u pacjentów z MDD przed leczeniem przeciwko grupie zdrowych uczestników młodzieży dopasowane do cech demograficznych, takich jak wiek, płeć i IQ. „[8].

Kolejnym przykładem który występuje w medycynie jest badanie tętnic „Restenoza tętnicy szyjnej wspólnej po tętnicy szyjnej, a analiza składu zmian nie opiera się głównie na badaniu histologicznym usuniętych z nawrotem zwężenia zmian. W tym badaniu zdolności 3T układu krążenia rezonansu magnetycznego (CMR), aby określić elementy nawrotu choroby tętnic szyjnych i zbadać, czy te różniły się od pierwotnej blaszki miażdżycowej.”[9]. Kolejnym badaniem jest badanie kobiet w ciąży by ocenić stany w jakich rozwija się wszelkie niezbędne zmiany do rozwoju płodu oraz jego urodzeniu „To badanie CMR dostarcza wartości odniesienia dla wskaźników serca podczas normalnej ciąży i stanu poporodowej. Przyszłe badania są uzasadnione dla oceny roli CMR w ocenie kobiet w ciąży z istniejącymi wcześniej chorobami serca i / lub okołoporodowym kardiomiopatia.”[10] następnym badaniem jest możliwość wykrycia zwapnienia w komorach serca przez co jest ułatwiona pomoc pacjenta i możliwość zoperowania go „Cystic wewnątrz serca uszkodzenie może pokazać kontrast wychwyt agenta. CMR umożliwia ocenę lokalizacji, wielkości, kształtu, mobilności i tekstury na zmiany w obrębie serca. T1 i T2 mapping przed i po podaniu środka kontrastowego może dostarczyć informacji ilościowych o charakterze zawartości zmiany chorobowej, na przykład za poprawę nieinwazyjnego diagnozowania i różnicowania nowotworów wewnątrz serca.”[11]

[1a]

[2a]

5 Zastosowanie rezonansu w innych dziedzinach

Występuje tutaj możliwości badania właściwości przenikania co2 w badaniach n-heksadecymalnych związków. „Metoda łączenia metodą rezonansu magnetycznego (MRI) oraz dwukomorowego spadku ciśnienia ( tj , metody ciśnienie-objętość temperatury) został wykorzystany do pomiaru dyfuzji CO ₂ luzem n -hexadecane, reprezentatywnej oleju, w temperaturze 21 ° C. Obrazy gęstości protonów n -hexadecane MRI zostały uzyskane za pomocą wysokiej pole magnetyczne i wysoką rozdzielczość i zaniku ciśnienia odnotowano”

[12]. Kolejnym przykładem jest zastosowanie kesonu do możliwości lepszego i szybszego oddziaływania tkanek „Duży sygnał ksenonowe NMR pod warunkiem techniką laserową polaryzacji umożliwia szybsze obrazowanie niż można osiągnąć z spolaryzowanych termicznie systemów gaz-ciecz, umożliwiając skrócenie czasu skalę wydarzeń, takich jak szybki przepływ gazu i dynamiki cieczy gazem należy przestrzegać.”[13]. Następnym przykładem jest możliwość badania chmury elektronowej w sprawie możliwości lepszego wykrywania atomów i pierwistaków nieodkrytych jeszcze w nauce „Eksperymenty te stanowią punkt wyjścia do opracowania znacznie wyższe rozdzielczości metody obrazowania rezonansu dla zimnych atomów w pułapce.”

[14]. Występuje także pomiar występowania różnych pierwiastków w wodzie przykładem takich pierwiastków i związków takich jak MgV „Domena jądrowy rezonans magnetyczny razem zastosowano do zbadania wpływu wytworzonych wolnych rodników na rozpad wolne indukcyjnego (FID) w nondoped wody”[15] ostatnim przykładem jest przykład możliwości przepływu ciecz- ciecz przez kapilary „Dwuskładnikowe ciecz-ciecz przepływu Poiseuille'a przez okrągłą rurę z "Y" skrzyżowaniu badano teoretycznie, ale istnieje kilka badań eksperymentalnych.” [16].

Bibliografia

1 XL ZJAZD FIZYKÓW POLSKICH 40th General Meeting of Polish Physicists Program i streszczenia ‘Programme and Abstracts’ ( str. 54 , )

2 Wstęp do spektroskopii rezonansów magnetycznych

Wojciech Hilczer, Jan Stankowski(str. 3 )

3 Teoretyczny stosunek sygnału do szumu o szczelinach cewki powierzchniowej do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego z walidacji eksperymentalnej

SS Hidalgo 1 , SE Solis 2) , K. Ocegueda 2 i AO Rodriguez 2, ( str.

3

4 Wykład Dr Zbigniewa Kaczyńskiego zatwierdzony w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

5 Obrazowanie rezonansu efekt dielektrycznej w wysokiej pola rezonansu magnetycznego

6 Podróżujący fali rezonansu magnetycznego przy 3 T

F. Vazquez ¹ , R. Martin ¹ , O. Marrufo ¹ i AO Rodriguez ¹⁾

7 A quantitative high resolution assessment of myocardial blood flow from contrast-enhanced first-pass magnetic resonance perfusion imaging: microsphere validation in a magnetic resonance compatible free beating explanted pig heart model

(Andreas Schuster12*, Matthew Sinclair1, Niloufar Zarinabad1, Masaki Ishida1, Jeroen P van den Wijngaard3, Matthias Paul1, Pepijn van Horssen3, Shazia T Hussain1, Divaka Perera1, Tobias Schaeffter1, Jos A Spaan3, Maria Siebes3, Eike Nagel1 and Amedeo Chiribiri1)

8 Magnetic resonance imaging of a randomized controlled trial investigating predictors of recovery following psychological treatment in adolescents with moderate to severe unipolar depression: study protocol for Magnetic Resonance-Improving Mood with Psychoanalytic and Cognitive Therapies (MR-IMPACT)

9 Non-invasive imaging of carotid arterial restenosis using 3T cardiovascular magnetic resonance

(Alistair C Lindsay1*, Luca Biasiolli12, Steven Knight1, Colin Cunnington1, Matthew D Robson12, Stefan Neubauer1, James Kennedy3, Ashok Handa4 and Robin P Choudhury12)

10 Cardiovascular magnetic resonance in pregnancy: Insights from the cardiac hemodynamic imaging and remodeling in pregnancy (CHIRP) study

(Robin A Ducas1†, Jason E Elliott2†, Steven F Melnyk3, Sheena Premecz3, Megan daSilva3, Kelby Cleverley3, Piotr Wtorek3, G Scott Mackenzie4, Michael E Helewa2 and Davinder S Jassal135*)

11 Characterization of a calcified intra-cardiac pseudocyst of the mitral valve by magnetic resonance imaging including T1 and T2 mapping

¹² CO₂ diffusion in n-hexadecane investigated using magnetic resonance imaging and pressure decay measurements

Yongchen Song,^a Min Hao,^ab Yu Liu,^a Yuechao Zhao,*^a Bo Su^a and Lanlan Jiang^a

¹³ Magnetic resonance imaging of convection in laser-polarized xenon

¹⁴ Raman-induced magnetic resonance imaging of atoms in a magneto-optical trap

Phys. Rev. A 60, 4788 – Published 1 December 1999

T. A. Savard, S. R. Granade, K. M. O’Hara, M. E. Gehm, and J. E. Thomas

¹⁵ Penetration depth measurement of a 6 MeV electron beam in water by magnetic resonance imaging

Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 114701 – Published 17 November 2011; Erratum Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 119901 (2011)

B. E. Hammer, N. L Christensen, M. J. Conroy, W. J. King, and N. Pogue

¹⁶ Magnetic resonance imaging of two-component liquid-liquid flow in a circular capillary tube

Phys. Rev. E 81, 056318 – Published 21 May 2010

Jing Zhang and Bruce J. Balcom

^Zdjęcia

^1a

^{http://glejak.com/rezonans-magnetyczny-3t/ 29.10.2014 11:47}

^{2a http://www.onkol.kielce.pl/onkol/index.php?Itemid=159&id=110&option=com_content&task=view 29.10.2014 11:49}