A mágneses magrezonanciás vizsgálat

története

Jean Baptiste Joseph Fourier 1768-1830

Jean-Baptiste-Joseph Fourier (1768-1830) francia matematikus és fizikus 1822-ben kiadott, a termodinamikával foglalkozó művében matematikailag bizonyította, hogy tetszőleges periodikus változás leírható szabályos sinus- és cosinus hullámok összeadódása (szuperpozíciója) eredményeként.

Jean Baptiste Joseph Fourier 1768-1830

A róla elnevezett Fourier-transzformáció segítségével a detektor-tekercsen fogott időben véges, összetett jelből (felső sor) kiszámítható az azt felépítő, különböző térpontokból származó sinusos hullám-alkotórészek frekvenciája és amplitúdója (alsó sor).

Körkörös mozgást végző töltések forgástengelyük irányában mágneses teret hoznak létre (indukció). Az atommag alkotórészei (protonok és neutronok) tengely körüli forgásuk következtében mágneses mezőt indukálnak. A neutronok töltése kifelé nulla, de pozitív és negatív töltésű alkotóelemeik a forgástengelytől eltérő távolságban helyezkednek el, így különböző perdületükből adódóan az általuk keltett mágneses mezők eredője nem nulla. Amennyiben a magalkotórészek párosával töltik ki a magpályákat, ellentétes spinűkből adódóan mágneses momentumaik kiegyenlítik egymást.

Páratlan mag-spinnel rendelkező atomok mag-mágneses momentuma megfelelő mágneses térben rádióhullámokkal befolyásolható, a mágneses momentum változása mérhető. Diagnosztikai célra az élő szervezetekben nagy mennyiségben jelenlevő, jelentős mag-mágneses tulajdonsággal bíró hidrogén-atommagot (protont) használjuk fel.

A mágneses irányultság kialakulásában fontos szerepet játszik a precessziónak nevezett fizikai jelenség. Forgómozgást végző testek a rájuk kívülről gyakorolt erőhatás ellenében igyekeznek megtartani forgástengelyük eredeti irányát.

A magok mágneses momentuma a külső erőtér tengelye körül forgó mozgásba kezd, melynek során periódusosan kibillen, majd visszatér az eredeti tengelyirányba. Az így kialakult precessziós mozgás periódusideje a külső mágneses tér erősségétől függ.

Magasabb térerejű mágnesben a behelyezett atomok mag-mágneses momentuma gyorsabb precessziós forgómozgást végez.

Rf absorpció

Ha nettó mágneses momentummal rendelkező magokat külső mágneses tér hatásának teszünk ki, ezek a magok a rádiófrekvenciás sugárzás egy adott szűk tartományából energiát képesek felvenni. Akár a mágneses tér erősségét, akár a besugárzási frekvenciát változtatjuk, az abszorpciós görbén éles csúcsot figyelhetünk meg. Az abszorpciós maximum frekvenciája és a külső mágneses tér erősségének hányadosa állandó és a vizsgált anyag minőségétől függ. Ezt az összefüggést a Larmor-egyenlet fejezi ki:

ω = γ * B0

ω a sugárzás szögfrekvenciája γ az anyagra jellemző giromagnetikus állandó (1H atomra 42,58 MHz/T)

A felvett energia egy része hővé alakul, egy részét a vizsgált anyag az aktuális mágneses térnek megfelelő Larmor-frekvencián csökkenő erősséggel visszasugározza. A csökkenés mértéke a mágneses momentummal rendelkező atommagok közvetlen molekuláris környezetének viszonyaitól, az atomok mágneses „kötöttségétől” függ. Utóbbi a különböző biológiai struktúrákban más és más, ezért a jelenség mérésével képalkotásra nyílik lehetőség.Az élő szervezetben legnagyobb mennyiségben jelen lévő atommag, a hidrogén erős mag-mágneses momentummal rendelkezik, ez teszi lehetővé az MR technika orvosi alkalmazását.

Megfelelően erős mágneses térbe helyezve a magok saját mágneses momentuma a külső mágnes polaritásához igazodik. Egy részük a külső térrel azonos, valamivel kevesebb azzal szembenálló mágneses irányultságot vesz fel.

Sir Joseph Larmor1857-1942

ν=  γ Bγh = = 42.58 MHz / T

ν: Larmor – frekvencia

Ír születésű, Angliában a Cambridge-i Egyetemen professzorként dolgozó elméleti fizikus és matematikus. Maxwell elektromagnetikus elméletét fejlesztette tovább, munkájának egyik eredménye az ún. Larmor-formula. Ez a mágneses térben mozgó töltés gerjesztési frekvenciáját határozza meg.

γ az anyagra jellemző ún. giromagnetikus állandó, B a külső mágneses tér erőssége.

Az MR képalkotás története

1946

Hatvanas évek

Bloch, Purcell – Nobel díj, 1952

Spektroszkópia

NMR jelenség

Ernst – Nobel díj, 1991

Hatvanas évekmásodik fele

Relaxometriaélő szövet

Hazlewood, Damadian, Ling…

1973

Rák detektálásaNMR-rel

Damadian, US Patent 3,789,832

Zeugmatography Lauterbur - Nobel díj, 2003

1972

NMR FourierZeugmatography

1975

1977. Július 3. 4:45 Az első képemberről

Ernst – Nobel díj, 1991

Damadian1977 EPI Mansfield – Nobel díj, 2003

Nobel díjasok

• Isidor Isaac Rabi (1898-1988)

• 1944 – „az atommagok mágneses tulajdonságainak vizsgálatára kidolgozott rezonancia módszeréért”

• Otto Stern (1988-1969)

• 1943 – „a molekula-sugár módszer kifejlesztéséért és a proton mágneses momentumának felfedezéséért”

Cornelis Jacobus Gorter

Elektronspin rezonancia1941

Yevgeni K. Zavoisky

A Kazanyi Egyetemen Zavoisky fedezte fel az elektronspinrezonanciát és először tett kísérletet a magmágneses rezonancia mérésére, de kísérlete sikertelen volt.

Az NMR születése

• 1952 – Felix Bloch & Edward Mills Purcell• „a magmágneses preciziós mérések kifejlesztett új módszereiért és

az ezekkel kapcsolatos felfedezésekért”

(1905-1983) (1912-1997)Stanford MIT - Harvard

Stanford UniversityFelix BlochWilliam HansenMartin Packard(víz)

Harvard UniversityEdward PurcellHenry TorreyRobert Pound(paraffin)

A mágneses magrezonancia jelenségének meglétét folyadékokban és szilárd anyagokban két egymástól függetlenül dolgozó kutatócsoport bizonyította csaknem egyszerre 1946-ban Felix Bloch és Edward Purcell vezetésével.

NMR spektroszkópia

Varian A-60 1961

A hatvanas évektől a mágneses magrezonancia a kémiai analízis vezető eszközévé vált. Előnye, hogy a minta megváltoztatása nélkül végezhető el a szerkezeti elemzés.

MRS alapjai

• Páratlan atomszámú magok magspinnel, „pördülettel” jellemezhetők.

• Minden térben mozgó töltött test mágneses teret kelt maga körül.

• Minden páratlan rendszámú mag egy kis mágnes.

• Erős, külső mágneses tér tengelye körül a mágneses vektorok adott frekvenciával pörögnek.

• Ez a Larmor frekvencia, mely a külső mágneses tér erejével egyenesen arányos.

• Ez a rezonancia frekvencia is.

MRS alapjai

MRS alapjai• A különböző mikrokörnyezetben lévő magok

rezonancia frekvenciája kicsit eltér.

• Emiatt egyes kötések, illetve metabolitok a spektrum eltérő helyein jelennek meg. (Chemical Shift)

• A csúcsok alatti terület a mennyiséggel, míg a félszélesség a T2 relaxációs idővel arányos.

Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. The nuclear induction experiment.The nuclear induction experiment. Physical Review (1946), 70 474-85. Physical Review (1946), 70 474-85.

A víz elsőA víz első 1 1H NMR H NMR spektrumaspektruma

Chemical shift

Etanol (CH3-CH2-OH)

A különböző kémiai kötésben lévő hidrogénatomok mag-mágneses rezonancia-frekvenciája a kémiai kötés erősségétől függően és a környezetükben található kémiai csoportok mágneses hatása miatt eltérő lehet (chemical shift). Az etanol molekulában három eltérő erősségű kötésben található hidrogén. A különböző kötési energiájú hidrogénatomok a gerjesztési spektrumon elkülönülő sávokat hoznak létre. Gerjesztési spektrumuk alapján a különböző molekulák elkülöníthetők.

EthanolEthanol 11H NMR H NMR spectrspectrumauma

Modern ethanol spectrModern ethanol spectrumum

Arnold, J.T., S.S. Dharmatti, and M.E. Packard, J. Chem. Phys., 1951. Arnold, J.T., S.S. Dharmatti, and M.E. Packard, J. Chem. Phys., 1951. 1919: p. 507. : p. 507.

A Chemical Shift első megjelenítése1951

Free Induction Decay

FT

FT

Egynemű anyagPl. tiszta víz

Kevert anyagPl. agyszövet

Processing

NMR spektroszkópia

• Richard Ernst • 1991 – kémiai

Nobel díj • „a nagy felbontású NMR

spektroszkópia kifejlesztéséért tett hozzájárulásáért”

• Időben változó mágneses gradiensek,

• Fourier-rekonstrukció

Relaxometria élő sejtről - 1955

Erik Odeblad

Áramlásmérés – 1967Alexander Ganssen

NMR daganatok detektálására

Raymond Damadian 1971 1972

Az 1972-ben benyújtott Damadian Patent-ből

Lauterbur 1973-as Nature cikke

Paul Lauterbur 1973

Két, 1 mm vastag,vízzel telt üvegcsőforgó állványzaton

Indomitable1977.0,05-0,1 TSzupravezető54,43 kg

Damadian, Minkoff, Goldsmith

Damadian és a tekercs

Minkoff és a tekercs

Az első MR kép emberről

1977. Július 3. 4:45, Minkoff

Az első pathológiás eset – emlőrák tüdőmetastázisa

Physiol. Chem. & Phys., 10:285-87, 1978.

Mágneses rezonanciás képalkotás (MRI !)

• 2003 – Paul Lauterbur & Sir Peter Mansfield • „a mágneses rezonanciás képalkotás vonatkozásában tett

felfedezésekért”

(1929-2007) (1933-)

Paul Lauterbur SUNY Stony Brook1973 Első 2D képek

Peter Mansfield Nottingham, Anglia1973 2D (kristályok)1976 Echo-planar imaging

A képalkotáshoz a kémiai analízissel szemben térbeli felbontást kell biztosítania. Ezt mágneses gradiensek segítségével érhetjük el.

Térben változó erősségű mágneses tér hatására a Larmor-frekvencia is változik. Megfelelő excitációs frekvencia választásával a vizsgált térfogat adott része célzottan gerjeszthető, az ezután detektált jelek ebből a térrészből származnak.

A detektálás fázisában alkalmazott, a korábbitól eltérő irányú gradiens hatására egy újabb dimenzióban valósítható meg a jelek szétválasztása.

Az MR berendezésbe (1) helyezett beteg hidrogén atommagjai a berendezés erős, homogén mágneses terének (2) hatására szabályosan rendeződnek. A beteg köré helyezett tekercs (3) hozza létre periodikusan a rádiófrekvenciás sugárzást (Rf. impulzus) és detektálja a betegből érkező rádiófrekvenciás jeleket.

Az anatómiai struktúrák térbeli elkülönítésére többféle, mindig a vizsgálat céljának megfelelő módszert alkalmaznak. A gerjesztő impulzus az idő függvényében, a vizsgált régió felett a mágneses tér erőssége térben és időben egyaránt változtatható. Így egyrészt a különböző térrészek különböző időben történő gerjesztése (szelektív excitáció), majd a gerjesztés után az atommagok által kibocsátott jel frekvenciájának és fázisának térbeli pozíciótól függő változtatása (frekvencia és fázis szerinti kódolás) valósítható meg. A különböző pontokból egy időben kibocsátott és a detektorra érkező jelek szétválasztását speciális matematikai módszer szerint számítógép végzi.

Kísérleti MR berendezés a 70-es évekből…

…és a vele előállított, mai szemmel igen rossz, zajos képek.

1987 - MRA

Az MR képalkotás igen érzékeny mozgási műtermékekre. Ezt a sajátságot megfelelő szekvenciákkal felerősítve szöveti mozgások – az artériás vagy vénás vér áramlása – láthatóvá tehető. A fenti képek speciális MRA (MR-angiográfiás) szekvenciával ábrázolják az agyalapi ereket. A jó felbontást mindenféle kontrasztanyag nélkül éri el a berendezés.

Fontosabb évszámok• 1937 – I. I. Rabi: molekula-sugár MR (Nobel-díj 1944)• 1946 – Felix Bloch, Edward Purcell : Mágneses magrezonancia

(Nobel-díj 1952)• 1971 – Raymond Damadian : tumoros és egészséges szövetek

relaxációs ideje eltérő• 1973 – Paul Lauterbur: első 2D képek (2 db. 1mm-es üvegcső)

(Nobel-díj 2003)• 1973 – Peter Mansfield: 2D leképezés kristályokon (Nobel-díj

2003)• 1975 – Richard Ernst : fázis- és frekvencia kódolás elve, Fourier

transzformáció alkalmazása (Nobel-díj 1991).• 1977 – Raymond Damadian: első teljes test MRI.• 1980 – Egy kép kb. 5 perc• 1981 – Schering: Gd-DTPA dimeglumine • 1986 – Egy kép 5 másodperc.• 1987 – Charles Dumoulin: MRA.• 1993 – Funkcionális MRI (fMRI) – agytevékenység leképezése

MR berendezések felosztása mágneses térerejük alapján

Zárt MR berendezések

Nyitott MR berendezések

Műtét közbeni vizsgálatot lehetővé tevő MR készülék.

Klausztrophobiás (bezártságot nem elviselő) betegeknek kifejlesztett nyitott MR berendezés.

Az MR berendezések számának változása...

MR berendezések sűrűsége országonként

/millió lakos

Narancs MR képe a Föld mágneses terénLjubjanai Egyetem fizikusai

Alacsony térerejű MR képalkotás

Első ultra-low-field agyi MRLos Alamos – Zotev – 2004.

Első ultra-low-field agyi MRLos Alamos – Vadim Zotev – 2007.

46 μT

Első ultra-low-field agyi MRLos Alamos – Zotev – 2004.

High field MR – 7T

High field MR – 7T Project

9,4 T

16 T 21 T

Linkek

http://www.emrf.org/EMRF%20FAQs/FAQs%20History%20of%20MRI.htm