Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

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

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie Joanna i Łukasz Gut."— Zapis prezentacji:

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

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

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

4 Opis makroskopowy - wektorowy moment magnetyczny jednostki objętości, tzw. namagnesowanie M Próbkę umieszczamy w cewce nadawczo-odbiorczej. Podajemy impuls rf o częstości rezonansowej dopasowanej do różnicy jądrowych poziomów energetycznych ω 0 =γB 0, γ – współczynnik giromagnetyczny, B 0 – indukcja zewnętrznego pola magnetycznego. W wyniku impulsu – obrót M o pewien kąt względem B 0. MR

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

6 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 MRI

7 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 ~ 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/cm 3 – 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 - 3 He i 129 Xe. 1H1H1H1H 3 He

9 Polaryzacja 3 He Pompowanie optyczne Pompowanie optyczne 3 He SEOPMEOP Spin-Exchange Optical PumpingMetastability-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 N 2 + 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:

11 SEOP Faza 2 – zderzenia spolaryzowanego Rb z 3 He – przekrycie funkcji falowych elektronu walencyjnego Rb i jądra 3 He – wymiana spinu Po zderzeniu atom Rb pompowany ponownie (OP jest ciągłe) Stopień polaryzacji 3 He jest eksponencjalną f-cją czasu - współczynnik podłużnej relaksacji 3 He 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 3 He: - przeniesienie atomów ze stanu podstawowego 1 1 S 0 do stanu metatrwałego 2 3 S 1, wyładowanie rf bo przejście optycznie wzbronione - OP z wykorzystaniem przejścia 2 3 S 1 (F=½) –> 2 3 P 0 (F=½)

13 MEOP Rozszczepienie podpoziomów zeemanowskich w słabym zewnętrznym polu magnetycznym B 0. Komórkę z gazem, w której zachodzi wyładowanie rf oświetlamy światłem spolaryzowanym σ+ o dł nm Wynik OP – zwiększenie obsadzenia podpoziomu 2 3 S 1 o m F =+ 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 3 He w stanie podstawowym. Spolaryzowany atom w stanie metatrwałym 2 3 S 1 zderza się z z niespolaryzowanym atomem w stanie podstawowym 1 1 S 0. Wynik zderzenia – atom spolaryzowany jądrowo w stanie podstawowym 1 1 S 0 (F= ½, m F =+½) i atom niespolaryzowany w stanie metatrwałym 2 3 S 1, który może być ponownie spolaryzowany.

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

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

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

18 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 3 He 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 B 0 ). Do obrazowania spolaryzowanym 3 He, stosuje się zatem inną sekwencję – z echem gradientowym i ze wzbudzeniem niskokątowym (sekwencję FLASH). Obrazowanie Sekwencja impulsów w MRI 3 He

19 Echo gradientowe W odróżnieniu od echa spinowego wywołane jest poprzez przyłożenie pól gradientowych G 1 i G 2 o przeciwnych kierunkach. Przyłożenie dodatniego (G 1 >0) gradientu skutkuje rozfazowaniem spinów. Przyłożenie po pewnym czasie gradientu przeciwnego (G 2 <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 T 1. Sekwencja powtarzana jest n razy dla różnych wartości amplitudy gradientu kodowania fazy – G y.

21 Tomografy Różne parametry techniczne elementów tomografu Inna częstość pola generowanego przez cewki ω 0 =γB 0 : - dla 1 H ω 0 /2π= 48 MHz/T - dla 3 He ω 0 /2π= 32,4 MHz/T W przypadku 3 He nie ma konieczności użycia wysokich pól B 0 – stopień polaryzacji nie zależy od wartości pola. Zasada konstrukcji tomografów dla 3 He i protonów taka sama Tomograf MRI [gr. tomós cięty, tnący, gráphō piszę]

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

23 SNR HP MRMR Polaryzacja nierównowagowa SNR nie zależy od ω 0 SNR ~ ω 0 Polaryzacja równowagowa vs. N ~ ω 0 dla częstości ω 0 /2π powyżej kilku MHz (experience shows)

24 Diagnostyka Obrazowanie zmian chorobowych u chorych na astmę

25 Diagnostyka Obrazowanie zmian u osób palących Płuca osoby niepalącejPłuca osoby palącej

26 Diagnostyka Obrazy 3D

27 Diagnostyka Badanie przepływu gazu

28 Bibliografia K. Cieślar, T. Dohnalik, Postępy Fizyki 55, 123 (2004) H.E. Möller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002) J.Stankowski, W. Hilczer, Pierwszy krok ku radiospektroskopii rezonansów magnetycznych, OWN Poznań 1994, str Dziękujemy Bartkowi Głowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium!

29 Koniec Dziękujemy za uwagę!


Pobierz ppt "Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie Joanna i Łukasz Gut."

Podobne prezentacje


Reklamy Google