Μαγνητική Τομογραφία Σεμινάριο Φυσικής 2009 Τουλουμτζή Σουζάνα Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Θ.Παπαδοπούλου

Ιστορική αναδρομή 1946  ανακάλυψη του φαινομένου από τους E. Purcell και F. Bloch 1972  ιδέα της χρησιμοποίησης του MRI για την ανίχνευση όγκων στο ανθρώπινο σώμα από τον R. Damadian 1973  in vivo απεικονίσεις ιστών και οργάνων ασθενών από P. Lauterbur 1981 και μετά  συστηματική χρησιμοποίηση του μαγνητικού τομογράφου σε νοσοκομεία και ιατρικά κέντρα

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Δε χρησιμοποιείται ακτινοβολία για την απεικόνιση Βασίζεται στην ύπαρξη μαγνητικής ροπής σε πυρήνες που περιέχουν περιττό αριθμό πρωτονίων (πχ 1Η, 31Ρ, 23Na, 13C). Κάθε τέτοιος πυρήνας έχει σπιν που τον καθιστά μικροσκοπικό ανιχνεύσιμο μαγνήτη Οι εφαρμογές της απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό στηρίζονται κυρίως στη διέγερση πυρήνων υδρογόνου που βρίσκονται σε αφθονία στον ανθρώπινο οργανισμό

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Οι πυρήνες αποτελούνται από νουκλεόνια που περιστρέφονται  έχουν σπιν Αυτοί που έχουν σπιν διαφορετικό του 0 εμφανίζουν μαγνητική ροπή Όταν οι πυρήνες τοποθετηθούν μέσα σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο οι μαγνητικές τους ροπές γίνονται παράλληλες ή αντιπαράλληλες με αυτό Οι πυρήνες που παίρνουν παράλληλη θέση είναι περισσότεροι (δημιουργία μαγνήτισης)

Διαχωρισμός ενεργειακών σταθμών Οι πυρήνες που έχουν παράλληλο σπιν βρίσκονται σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη από αυτούς που έχουν αντιπαράλληλο σπιν

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Αφού οι πυρήνες έχουν στροφορμή, η μαγνητική τους ροπή Μ περιστρέφεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο με τη συχνότητα Larmor Για να απεικονιστεί ένα υλικό οι πυρήνες του πρέπει να εκπέμψουν σήμα συχνότητας ω0  τους διεγείρουμε με εφαρμογή εκτός του H0 στην κατεύθυνση z και ενός εναλλασσόμενου πεδίου H1 στο επίπεδο xy

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Οι πυρήνες σε χαμηλή ενεργειακή στάθμη απορροφούν ενέργεια και μεταπηδούν σε υψηλότερη Ενώ το εναλλασσόμενο πεδίο λειτουργεί αρκετή ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί και ανάλογα με το χρόνο παραμονής στην υψηλότερη στάθμη ενέργειας οι εξισώσεις ενέργειας εξισώνονται και το φαινόμενο σταματά  οι πυρήνες επανέρχονται στη χαμηλότερη στάθμη και εκπέμπουν σήμα με συχνότητα ω0 που ανιχνεύεται από τα πηνία που παράγουν το Η1

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Η μαγνήτιση κάθε πρωτονίου και η συνολική μαγνήτιση έχουν 2 συνιστώσες, εγκάρσια και διαμήκη Σε κατάσταση ισορροπίας η συνολική μαγνήτιση έχει μόνο διαμήκη συνιστώσα. Με την εφαρμογή ενός RF παλμού στη συχνότητα Larmor, τα πρωτόνια απορροφούν ενέργεια και δεν ευθυγραμμίζονται πλέον με το διάνυσμα του εξωτερικού στατικού πεδίου  η συνολική μαγνήτιση αποκτά εγκάρσια συνιστώσα

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Μόλις σταματήσει η εφαρμογή του παλμού τα πρωτόνια επανέρχονται στην κατάσταση ισορροπίας. Η εγκάρσια συνιστώσα της μαγνήτισης ελαττώνεται μέχρι να μηδενιστεί και η διαμήκης επανέρχεται στην αρχική της τιμή. Η μετάβαση αυτή δε γίνεται ακαριαία, αλλά απαιτείται χρόνος επαναφοράς της διαμήκους συνιστώσας που ονομάζεται χρόνος διαμήκους χαλάρωσης (χρόνος Τ1) Η τιμή του Τ1 εξαρτάται από τον τύπο του ιστού (πχ είναι υψηλή για το εγκεφαλονωτιαίο υγρό και χαμηλή για το λίπος)

Αποκατάσταση της διαμήκους συνιστώσας Διαμήκης μαγνήτιση: Mz=M0*[1-exp(-t/T1)] T1: ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η μαγνήτιση στο 63% της αρχικής της τιμής

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Αφαιρώντας τον παλμό, το διάνυσμα της μαγνήτισης επιστρέφει στον άξονα z εκτελώντας περιστροφική κίνηση με συχνότητα ω0  παράγονται Η/Μ κύματα

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Αντίστοιχα μετά το πέρας του παλμού η εγκάρσια συνιστώσα εξασθενίζει μέχρι να μηδενιστεί μετά από χρόνο Τ2 (χρόνος εγκάρσιας χαλάρωσης) Η τιμή του Τ2 εξαρτάται από τον τύπο του ιστού

Μείωση εγκάρσιας μαγνήτισης Η εγκάρσια μαγνήτιση μειώνεται εκθετικά και υπολογίζεται από τη σχέση Mxy=M0*exp(-t/T2) T2: χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η εγκάρσια μαγνήτιση στο 37% της αρχικής της τιμής

Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Έπειτα επάγεται ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα (FID) στην συχνότητα Larmor, ανάλογο της εγκάρσιας συνιστώσας και αποτελεί το μετρήσιμο σήμα Η ισχύς του σήματος FID εξαρτάται από: Πυκνότητα πρωτονίων Χρόνο Τ1 Χρόνο Τ2 Η αντίθεση της παραγόμενης εικόνας εξαρτάται από τους 3 παραπάνω παράγοντες. Στους μαλακούς ιστούς η πυκνότητα πρωτονίων δε διαφέρει σημαντικά. Οι 2 χρόνοι όμως διαφέρουν σημαντικά από ιστό σε ιστό και καθορίζουν την αντίθεση της εικόνας

Απεικόνιση του σήματος Μεγάλη ένταση σήματος  μεγάλη πυκνότητα του ιστού σε πρωτόνια (πχ λίπος) Μικρή ένταση σήματος  μικρή πυκνότητα σε πρωτόνια (πχ οστά)

Μαγνητικός Τομογράφος Η λειτουργία του βασίζεται στο ότι η συχνότητα συντονισμού του πυρήνα ω είναι ευθέως ανάλογη της έντασης Η0 Αν το μαγνητικό πεδίο είναι ελεγχόμενα μεταβλητό η ω των πυρήνων είναι συνάρτηση της θέσης τους σε σχέση με το μαγνήτη  αυτό πραγματοποιείται με ειδικά βαθμωτά πηνία που μεταβάλλουν γραμμικά την ένταση του μαγνητικού πεδίου σε κάθε μία από τις κάθετες διευθύνσεις x, y, z.

Δομή Μαγνητικού Τομογράφου Μαγνήτης: δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο  αρχικός προσανατολισμός πυρήνων Συστήματα παραγωγής βαθμωτών πεδίων: πηνία που δημιουργούν τα βαθμωτά μαγνητικά πεδία στους 3 άξονες για το σχηματισμό της εικόνας RF πομπός-δέκτης: πομπός παλμών διέγερσης και το σύστημα λήψης των εκπεμπόμενων από τον εξεταζόμενο σημάτων Η/Υ: ελέγχει τη λειτουργία των τμημάτων του τομογράφου, εκτελεί τους μετασχηματισμούς Fourier, οργανώνει τις πληροφορίες, τις αποθηκεύει σαν σειρά αριθμών και τις απεικονίζει σαν εικόνα

Μαγνήτης Το μεγαλύτερο κ ακριβότερο τμήμα της διάταξης Δύναμη 0.1-3.0 Tesla (συγκριτικά το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι 0,5 Gauss  1 Tesla=10000 Gauss) Οι μαγνήτες πρέπει να δίνουν ομοιογενές πεδίο μεγάλης έντασης (εξασφαλίζεται με πηνία ομοιογένειας) Ανάλογα με την εφαρμογή χρησιμοποιούνται: μόνιμοι μαγνήτες για μικρά πεδία, αγώγιμοι (0.05-0.4Τ), υπεραγώγιμοι (>0.5Τ)

Βαθμωτά πηνία (Gradient coils) Τα πηνία βαθμίδας χρησιμοποιούνται για να κωδικοποιήσουν χωρικά τις θέσεις των πρωτονίων. Ανάλογα με την τομή στο σώμα που θέλουμε να πάρουμε, εφαρμόζουμε ένα πεδίο κάθετο σε αυτή  η συχνότητα Larmor θα μεταβάλλεται συναρτήσει της θέσης των πρωτονίων στους 3 άξονες.

RF πηνία Το σύστημα μετάδοσης ραδιοκυμάτων χρησιμοποιείται ως πομπός των παλμών που διεγείρουν τους πυρήνες, αλλά και ως δέκτης των σημάτων που εκπέμπει το εξεταζόμενο σώμα Σχηματίζουν έναν κλωβό γύρω από τον εξεταζόμενο

Διαδικασία εξέτασης Τοποθετείται ο ασθενής στον κύλινδρο Ενεργοποιείται ο μαγνήτης και εκπέμπονται RF παλμοί Ενεργοποιούνται τα πηνία βαθμίδας Περιστρέφονται τα πρωτόνια και παράγουν σήματα Συλλέγονται τα σήματα και μετασχηματίζονται στον υπολογιστή για την παραγωγή εικόνας

Πλεονεκτήματα Μαγνητικής Τομογραφίας Δε χρησιμοποιείται ακτινοβολία Διαχωρίζονται και αποτυπώνονται όλες οι διαφορές των μαλακών μορίων του σώματος Υψηλή διακριτική ικανότητα (1μm x 1μm x 1μm) Έγκαιρος εντοπισμός βιοχημικών αλλαγών πριν το σχηματισμό του όγκου Δυνατότητα χρησιμοποίησης σε όλες τις ανατομικές περιοχές Ανώδυνη εξέταση μη επεμβατικού χαρακτήρα

Μειονεκτήματα Μαγνητικής Τομογραφίας Υψηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης Υψηλό κόστος εξέτασης Μη ευκρινής απεικόνιση οστών Δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί από άτομα με βηματοδότη ή άλλα μεταλλικά εμφυτεύματα Δεν ενδείκνυται για άτομα με κλειστοφοβία

Βιβλιογραφία Δ. Κουτσούρης, Κ. Νικήτα «Ιατρικά Απεικονιστικά Συστήματα» http://www.biosim.ntua.gr/GreekSite/lessons/chapter1_8ou_imaging.pdf http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm http://health.howstuffworks.com/mri1.htm