M.R.I. ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ Σπύρος Παπακωνσταντίνου ΣΕΜΦΕ Σεμινάρια Φυσικής Επιβλέπουσα: Καθηγήτρια Θ. Παπαδοπούλου

Εισαγωγή Bloch (1946) και Purcell (1946) Ολίσθηση της συχνότητας συντονισμού από την επιβολή κλίσης μαγνητικού πεδίου (Lauterbur, Mansfield, Grannel, 1973) Αρχικές εικόνες σε μικρά αντικείμενα Πρώτη ολόσωμη εικόνα (Damadian, 1977) Απεικόνιση χωρίς χρήση ιοντιζουσών ακτινοβολιών

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Μαγνήτιση και spin Τα πρωτόνια περιστρέφονται με σταθερή στροφορμή (spin) Ζεύγη πρωτονίων μηδενικό spin Περιττός αριθμός πρωτονίων ημιακέραια τιμή spin (1/2, 3/2, 5/2,...) Περιττός αριθμός πρωτονίων + περιττός αριθμός νετρονίων ακέραιο spin

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Πυρήνες στον ΠΜΣ Πυρήνας Ασύζευκτα Πρωτόνια Ασύζευκτα Νετρόνια Ολικό Σπιν γ(MHz/T) 1H 1 ½ 42,58 2H 6,54 31P 17,25 23Na 2 3/2 11,27 14N 3,08 13C 10,71 19F 40,08

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Συνολικό spin l 2 l + 1 πιθανούς προσανατολισμούς Πυρήνας υδρογόνου l =1/2 2 πιθανοί προσανατολισμοί Απουσία μαγνητικού πεδίου 2 προσανατολισμοί ίσης ενέργειας Παρουσία μαγνητικού πεδίου 2 ενεργειακές στάθμες (φαινόμενο Zeemann) Στατιστική Boltzmann περισσότεροι πυρήνες στη χαμηλή ενεργειακή στάθμη

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Η συνένωση των ανυσμάτων των πυρήνων ιδίου προσανατολισμού δημιουργεί αθροιστικά μία κοινή μαγνήτιση Μο στην κατεύθυνση z του Βο Μ0 προσανατολισμένη στον άξονα z η τιμή στο εγκάρσιο επίπεδο ΧΥ είναι μηδέν (κίνηση πρωτονίων μη συμφασική) Το άνυσμα της Μ0 δεν μεταβάλλεται άρα δεν αναπτύσσεται εξ επαγωγής ηλεκτρικό ρεύμα (παλμός) Άρα πρέπει να την μεταβάλλουμε για να έχουμε παραγωγή μετρήσιμου παλμού

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Τα πρωτόνια χαμηλής ενεργειακής στάθμης εκτελούν περιστροφική κίνηση υπό γωνία θ - κίνηση μετάπτωσης Η συχνότητα της μεταπτωτικής γωνιακής περιστροφής γύρω από τον z είναι χαρακτηριστική για κάθε πυρήνα συχνότητα Larmor

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Με απορρόφηση ενέργειας, κατάλληλης συχνότητας, εξωτερικής πηγής απομακρύνεται η μαγνήτιση Μ0 από τη θέση ηρεμίας με συνέπεια παραγωγή ηλεκτρικού παλμού Περιοχή ραδιοκυμάτων της Η/Μ ακτινοβολίας (103 – 107 ΜHz)

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Τα ραδιοκύματα συνιστούν εξωτερικό μαγνητικό πεδίο Β1 Διαταράσσει υπό μορφή παλμών τα προσανατολισμένα στον άξονα z πρωτόνια Αν τα ραδιοκύματα έχουν συχνότητα ίση ή σχεδόν ίση με τη συχνότητα περιστροφής Larmor θα συντονιστούν και θα επέλθει πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Με την απορρόφηση ενέργειας η κοινή μαγνήτιση Μ0 αρχίζει προοδευτικά να απομακρύνεται από τον επιμήκη άξονα z να κινείται προς τον εγκάρσιο άξονα ψ

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Αφαιρώντας τον παλμό το διάνυσμα της μαγνήτισης αρχίζει να επιστρέφει στον άξονα των Ζ, περιστρεφόμενο με συχνότητα ω0 Αυτή η κίνηση του διανύσματος της μαγνήτισης παράγει Η/Μ κύματα

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Χρόνος Τ1 ( spin-lattice relaxation time):χρονικό διάστημα (σε msec) μέσα στο οποίο η μαγνήτιση στην επιστροφή της στον άξονα z ανακτά το 63% της αρχικής της τιμής Μο Ο χρόνος Τ1 είναι μια σταθερά χρόνου και εκφράζει την απώλεια ενέργειας στο περιβάλλον

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Χρόνος Τ2 (spin-spin relaxation time): χρονικό διάστημα (σε msec) μέσα στο οποίο η τιμή της μαγνήτισης στο εγκάρσιο επίπεδο εξασθενεί και πέφτει στο 37% της αρχικής της τιμής Ο χρόνος Τ2 εξαρτάται από τις ανομοιογένειες του πεδίου Εξωτερικά (ανομοιογένεια μαγνητικού πεδίου) → Τ2* Εσωτερικά (ανομοιογένεια στο μοριακό περιβάλλον) → Τ2

Σχέση σήματος και θορύβου Το σήμα που εκπέμπεται εξ επαγωγής (FID) είναι πολύ χαμηλό λόγω της ύπαρξης του «θορύβου» του περιβάλλοντος χώρου Παράγοντες θορύβου Ηλεκτρικές αντιστάσεις των πηνίων Το σώμα του ασθενή και ο όγκος των ιστών που εξετάζονται Το είδος της τεχνικής για τη λήψη της μαγνητικής εικόνας Η ένταση του μαγνητικού πεδίου Βο

Σχέση σήματος και εικόνας Αύξηση της έντασης του σήματος Μεγάλη πυκνότητα του ιστού σε πρωτόνια (λίπος) Ο βραχύς χρόνος Τ1 του ιστού Ο μακρύς χρόνος Τ2 του ιστού Μείωση της έντασης του σήματος Μικρή πυκνότητα του ιστού σε πρωτόνια (οστά) Ο μακρύς χρόνος Τ1 του ιστού Ο βραχύς χρόνος Τ2 του ιστού

Σχέση σήματος και εικόνας Έντονο σήμα εικόνα έντονα φωτεινή (άσπρη) Σήμα με μέση ή αδύνατη ένταση εικόνα γκρίζα ή μαύρη

Μαγνητικός Τομογράφος Για να έχουν ιατρική σημασία τα παραπάνω θα πρέπει να μπορούν να μεταφραστούν σε εικόνα Αυτό γίνεται με τα βαθμωτά πεδία κλίσης Χαρτογραφούμε το σώμα του ασθενή εφαρμόζοντας κάθετα πεδία - τομές σε αυτό και επιτυγχάνουμε την κωδικοποίηση του κάθε σημείου συναρτήσει της συνολικά προσληφθείσας από αυτό ενέργειας

Μαγνητικός Τομογράφος Κάθε σήμα αντιστοιχεί και σε κάποια συγκεκριμένη περιοχή του σώματος Με την βοήθεια των ηλεκτρονικών υπολογιστών το σήμα μετατρέπεται σε εικόνα την οποία και μπορούμε να μελετήσουμε

Μαγνητικός Τομογράφος Οπτική διακριτική ικανότητα MRI 1μm x 1μm x 1μm Η ΙΒΜ κατέβασε το όριο στα 25 nm PET → 1mm με προοπτικές για 500μm CT→1cm x 1cm x 1cm

Μαγνητικός Τομογράφος

Δομή Μαγνητικού Τομογράφου

Δομή Μαγνητικού Τομογράφου Ο κυρίως μαγνήτης: Χρησιμοποιείται για την παραγωγή του σταθερού μαγνητικού πεδίου Β0 Κριτήρια επιλογής μαγνήτη: η ομοιογένεια πεδίου και η ένταση πεδίου Υπάρχουν τρεις τύποι μαγνητών Μόνιμοι: ασθενές μαγνητικό πεδίο Υπεραγώγιμοι: ηλεκτρομαγνήτες με μαγνητικό πεδίο πάνω από 0,5 Τ Μαγνήτες αντιστάσεως: ηλεκτρομαγνήτες με μαγνητικό πεδίο μέχρι 0,35Τ

Δομή Μαγνητικού Τομογράφου Πηνία ομοιογένειας (Shimming Coils): Φροντίζουν για την ομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου Πηνία βαθμίδας (Gradient Coils): Δημιουργούν τα βαθμωτά μαγνητικά πεδία στους τρεις ορθογώνιους άξονες του χώρου για το σχηματισμό της εικόνας Πηνία Ραδιοσυχνότητας (RF Coils): Πηνία εκπομπής (transmit) Πηνία λήψης (receiver) Πηνία εκπομπής-λήψης

Δομή Μαγνητικού Τομογράφου Λυχνία παραγωγής ραδιοσυχνοτήτων: παράγει τις συχνότητες που αποστέλλονται στα RF πηνία Υπολογιστής συστήματος: χρησιμοποιείται για την επεξεργασία, την παρουσίαση και την αποθήκευση των εικόνων

Διαδικασία Εξέτασης Η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε πέντε στάδια Τοποθέτηση του ασθενή μέσα στο άνοιγμα του μαγνήτη Εκπέμπονται RF-παλμοί Ενεργοποιούνται τα πηνία βαθμίδας για την γραμμική μεταβολή της έντασης του πεδίου Τα πρωτόνια αρχίζουν να περιστρέφονται στην αρχική θέση ηρεμίας παραγωγή σημάτων Γίνεται η συλλογή των σημάτων και η κατά Fourier μετατροπή τους σε ψηφιακή εικόνα

Μαγνητικός Τομογράφος Πλεονεκτήματα Μη χρήση ακτινοβολίας Υψηλή διακριτική ικανότητα Πολυεπίπεδη απεικόνιση Μέθοδος μη επεμβατική Χρήση σκιαγραφικών χωρίς αλλεργικές αντιδράσεις Συνεχής τεχνολογική εξέλιξη που βελτιώνει τη διάγνωση Χωρίς βλαπτικές επιδράσεις στον ανθρώπινο οργανισμό

Μαγνητικός Τομογράφος Μειονεκτήματα Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ανθρώπους με βηματοδότη ή μεταλλικά εμφυτεύματα Δεν υπάρχει απεικόνιση των οστών Υψηλό κόστος εξέτασης Οι κλειστοφοβικοί (5% των ασθενών) δεν πλησιάζουν τον χώρο Ασφαλής εξέταση για εγκύους μόνο μετά το πρώτο τρίμηνο της εγκυμοσύνης

Νεότερες Τεχνικές F.M.R.I.: απεικόνιση περιοχών ενεργοποίησης κατά την διάρκεια ερεθίσματος ή άσκησης π.χ. ο ασθενής κάνει συγκεκριμένη κίνηση ή δέχεται οπτικά ερεθίσματα με αποτέλεσμα αύξηση έντονου σήματος σε Τ2 εικόνες Καθετηριασμός και παρακεντήσεις: καθετηριασμός στα στεφανιαία αγγεία με καθοδήγηση Μαγνητικού Τομογράφου M.R.D.T.I.: Δείχνει την πλάκα αθυρομάτωσης , η οποια φράζει τις καρωτίδες και προκαλείται εγκεφαλικό επεισόδιο

Μαγνητικός Τομογράφος

Βιβλιογραφία «Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα»,Κουτσούρης, Νικήτα, Παυλόπουλος, Εκδόσεις Τζιόλα,2004 «Σύγχρονη διαγνωστική απεικόνηση»,Βλάχος «Εισαγωγή στις απεικονιστικές μεθόδους»,Ποντίφηξ http://www.es.oersted.dtu.dk/~masc/resonance.htm http://www.shu.ac.uk/schools/sci/chem/tutorials/molspec/nmr1.htm http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/inside.htm http://www.ch.ic.ac.uk/local/organic/nmr.html http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/ http://www.mritutor.org/mritutor/ «MRI-Magnetic resonance imaging», εργασία ,Στυλιανου Α. «Μαγνητική Τομογραφία», εργασία ,Βαλιαντή Χ., Αργυρόπουλος Γ.