Pompowanie optyczne 3He Zastosowanie w medycynie Joanna i Łukasz Gut

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

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 Stopień polaryzacji jest miarą wypadkowego momentu magnetycznego próbki.

MR 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 ω0=γB0, γ – współczynnik giromagnetyczny, B0 – indukcja zewnętrznego pola magnetycznego. W wyniku impulsu – obrót M o pewien kąt względem B0.

MR M precesuje, Mxy 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

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

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.

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

Polaryzacja 3He Pompowanie 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

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

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

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)

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)

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.

Schemat układu do polaryzacji optycznej 3He 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.

SEOP a MEOP 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 Porównanie za H.E. Möller i in., Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)

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.

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).

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.

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.

Tomografy Zasada konstrukcji tomografów dla 3He i protonów taka sama [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

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

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”)

Diagnostyka Obrazowanie zmian chorobowych u chorych na astmę

Diagnostyka Obrazowanie zmian u osób palących Płuca osoby niepalącej Płuca osoby palącej

Diagnostyka Obrazy 3D

Diagnostyka Badanie przepływu gazu

Dziękujemy Bartkowi Głowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium! 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. 9-53 Dziękujemy Bartkowi Głowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium!

Koniec Dziękujemy za uwagę!