rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 im4 - 1...

1

IM4 - 1

Rezonanta magnetica nucleara

IM4 - 2

Rezonanta magnetica nucleara (RMN)

• Fenomen fizic – studiul spectroscopic al proprietatilor

magnetice ale nucleului

• Protonii si neutronii au camp magnetic propriu

datorita spinului lor si distributiei sarcinii electrice

proprii

• Valorile numarului de spin sunt discrete: 0, ½, 1, 1

½,...

• Se obtin date spectroscopice referitoare la un material

situat in camp magnetic puternic

IM4 - 3

Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Din 1940 detectarea si analiza RMN a fost

introdusa ca metoda de cercetare analitica in chimie si biochimie

• In anii 1970 s-a constatat ca utilizarea gradientului de camp magnetic permite localizarea semnalului dat de RMN si pot fi captate proprietatile magnetice ale protonilor

• Pe la jumatatea anilor 1980 a devenit o ramura a imagisticii medicale

IM4 - 4

Magnetism

• O proprietate fundamentala a materiei

• Generat de purtatorii de sarcina electrica in

miscare

• Atomii cu numar par de orbite electronice nu au

camp magnetic propriu

• Atomii cu numar impar de orbite electronice au

camp magnetic propriu

2

IM4 - 5

Magnetism (2) • Susceptibilitatea magnetica = gradul in care un material se

magnetizeaza

• Materiale – diamagnetice – sensul campului magnetic indus este opus

campului magnetic extern (Ca, apa, majoritatea subst. organice (C si H))

– paramagnetice - sensul campului magnetic indus are acelasi sens cu campul magnetic extern; nu prezinta

magnetism propriu (O2, unii produsi ai sangelui, subst. de contrast pe baza de gadoliniu)

– feromagnetice – intensifica campul extern; de multe ori au magnetism propriu (Fe, Co, Ni)

IM4 - 6

Magnetism (3) • Dipoli

• Inductia magnetica B

– Tesla (T)

– Gauss (G): 1 T=10 000 G

• Campul terestru 1/20000 T

IM4 - 7

Caracteristicile magnetice ale

nucleului atomic Caracteristici Neutron Proton

Masa (kg) 1,674·10-27 1,672·10-27

Sarcina (Coulomb) 0 +1,602·10-19

Moment magnetic (Joule/Tesla) -9,66·10-27 1,41·10-26

Numărul de spin 1/2 1/2

• daca numarul de neutroni si protoni este par -> moment mag. nul

• daca numarul de neutroni este par si si cel de protoni este impar,

sau invers -> moment mag. diferit de zero (insuficient de puternic

pentru masurare) IM4 - 8

Caracteristicile magnetice ale

diferitelor elemente

Nucleu Număr de

spin

Abundenţă

izotopică %

Moment

magnetic

Concentraţie

fiziologică

relativă

Sensibilitate

relativă

1H 1/2 99,98 2,79 100 1

16O 0 99,0 0 50 0

17O 5/2 0,04 1,89 50 9·10-8

19F 1/2 100 2,63 4·10-6 3·10-8

23Na 3/2 100 2,22 8·10-2 1·10-4

31P 1/2 100 1,13 7,5·10-2 6·10-5

3

IM4 - 9

Momentul magnetic

Campul magnetic al protonului Momentul magnetic (M)

IM4 - 10

Momentul magnetic (2)

Orientarea aleatoare Orientarea in camp magnetic extern

(paralel- nivel energetic scazut; antiparalel – nivel energetic mai ridicat)

IM4 - 11

Momentul magnetic (3) • La 0° K toti protonii se orienteaza paralel cu

campul magnetic exterior)

• Cresterea campului magnetic -> cresterea numarului de protoni aliniati paralel cu acesta, creste diferenta dintre cele doua niveluri energetice

• La temp. fiziologica, in camp de 1 T, numarul de protoni de energie scazuta in exces este de 2 spini la 1 milion (210-6) -> intr-un voxel, 1021 protoni, sunt cu 210-61021 =21015 mai multi protoni aliniati paralel cu campul -> camp detectabil

IM4 - 12

Momentul magnetic (4)

4

IM4 - 13

Miscarea de precesie (1) • Pe langa orientarea paralela cu liniile de camp

apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic

IM4 - 14

Miscarea de precesie (2)

IM4 - 15

Miscarea de precesie (3) • frecventa miscarii de precesie este proportionala

cu inductia campului magnetic:

00 B

200 Bf

de unde frecventa (de ordinul MHz) (frecventa

Larmor):

- unde γ este raportul giromagnetic, specific fiecarui

element

IM4 - 16

Raportul giromagnetic

Nucleu γ/2π (MHz/T)

1H 42,58

13C 10,7

17O 5,8

19F 40,0

23Na 11,3

31P 17,2

5

IM4 - 17

Campul magnetic perpendicular • Este nul

• Un impuls de radiofrecventa cu frecventa egala cu frecventa de precesie (camp magnetic B1 de-a lungul axei Ox)-> aport de energie -> protonii cu energie joasa (paraleli cu campul) trec in starea cu energie ridicata (antiparaleli cu campul)

• La incetarea impulsului sistemul revine la starea initiala -> genereaza camp electromagnetic -> semnal RMN

• Valorile campului magnetic extern sunt cuprinse intre 0,5 si 3 T

IM4 - 18

Miscarea de dubla precesiune

11 B

IM4 - 19

Campul magnetic utilizat

Inductia 1H 31P

0,15T f=42,58MHz/T·0,15T = 6,39MHz f=17,2MHz/T·0,15T =2,58MHz

0,5T f=42,58MHz/T·0,5T =21,29MHz f=17,2MHz/T·0,5T =8,6MHz



• efectuarea unei excitari selective a diferitelor elemente -> precizie ridicata a masurarii inductiei magnetice si a frecventei in zona de interes,

• precizia de masurare a frecventei de spin este de 10-12 MHz

IM4 - 20

Rezonanta si excitatie (1)

6

IM4 - 21


Semnal de inductie libera (free induction decay – FID)

IM4 - 22


IM4 - 23


Impuls de 90 Impuls de 180

IM4 - 24


+

7

IM4 - 25


IM4 - 26


Efectul impulsului RF asupra vectorului de magnetizatie

IM4 - 27


IM4 - 28

Rezonanta si excitatie (9) • Constanta de relaxare transversala T2 – atenuarea

oscilatiei libere datorata interactiunii spin-spin; este exponentiala si este tipica fiecarui element

• Constanta de relaxare longitudinala T1 – timpul necesar ca magnetizarea longitudinala Mz sa revina la valoarea de 63% din valoarea initiala, dupa ce s-a aplicat un implus de 90°

• T1 > T2

8

IM4 - 29


IM4 - 30


Ţesut T1; 0,5T(ms) T1; 1,5T(ms) T2 (ms)

Ţesut adipos 210 260 80

Ficat 350 500 40

Muşchi 550 870 45

Materia albă 500 780 90

Materia cenuşie 650 900 100

Lichid cefalo-

rahidian

1800 2400 160

IM4 - 31


IM4 - 32


9

IM4 - 33


IM4 - 34

Codajul spatial al imaginii (1)

IM4 - 35


IM4 - 36


10

IM4 - 37


IM4 - 38

Selectarea planului (3)

IM4 - 39

Impulsul de radiofrecventa • Masurarea selectiva a T2, T1 si densitatii de spin a

tesuturilor -> obtinerea de imagini RMN cu contrast diferentiat

• Alegerea formei, duratei, numarului, polaritatii frecventei de repetitie a impulsurilor si a gradientilor de camp magnetic aplicat -> masurarea selectiva

• Trei tipuri de secvente ale impulsurilor: – Spin echo

– Inversion recovery

– Gradient recalled echo

IM4 - 40

Structura unui echipament cu RMN

11

IM4 - 41

Magnetul

• Inductia magnetica: 0,2-2T

• Magneti:

–Permanenti: 0,1-0,3 T

–Electromagneti: < 0,15 T (bobine racite cu

apa)

–Electromagneti supraconductori: < 7 T

IM4 - 42

Electromagneti supraconductori (1)

• Fenomenul de supraconductibilitate ( la temp

de -273° K)

• Conductoarele din aliaje de titan si niobiu

• Temp de 4,7° K in heliu lichid

• Unifomitatea campului

IM4 - 43

Electromagneti supraconductori (2)

Dezavantaje: • costuri initiale ridicate • costurile materialelor criogenice • dificultatea de a intrerupe campul magnetig in urgente

IM4 - 44

Bobine

• de uniformizare a campului – pt omogenizarea campului principal in interiorul tunelului magnetic

• de gradient – realizeaza variatia liniara, controlata a campului de-a lungul celor trei directii; zgomot ritmic in timpul functionarii

• de radiofrecventa – emit impulsuri de radiofrecventa si receptioneaza semnalul de rezonanta magnetica

12

IM4 - 45

Uniformitatea campului magnetic

• Unifomitatea campului <-> constanta

gradientului;

• Variatia inductiei magnetice dupa fiecare directie

trebuie sa fie strict liniara

• Reglarea gradientilor = problema principala in

dispoz. RMN

• Forma magnetilor: geometrii inchise si deschise

IM4 - 46

Generarea gradientilor

• Permit determinarea coordonatelor fiecarui punct

din zona examinata

• sunt produsi de bobine, prin suprapunere de

campuri magnetice

• Valori tipice ale gradientilor utilizati: 1-50 mT/m

• Timpul de crestere: 5-250 mT/m/ms

• Limitarile apar datorita curentilor turbionari

IM4 - 47

Generarea gradientilor (2)

IM4 - 48

Generarea gradientilor (3)

13

IM4 - 49

Variatia frecventei de precesie

IM4 - 50

Variatia frecventei de precesie (2)

IM4 - 51

Diferenta de frecventa

• un gradient de 10 mT/m -> determina o variatie de

frecventa de 10 mT/m · 42,58 MHz/T · 1 T/1000 mT

= 0,4258 MHz/m sau 425,8 kHz/m.

• ca urmare diferenţa de frecvenţă între două felii

adiacente de grosime de 1 mm este de 425,8/1000

kHz = 425,8 Hz

• localizarea unui proton in 3D necesita aplicarea a trei

gradienti diferiti pe durata unui impuls de

radiofrecventa

IM4 - 52

Sistemul de radiofrecventa

• bobine de emisie

• bobine de receptie

• bobinele trebuie sa rezoneze la frecventa Larmour

• bobinele sunt acordate inaintea fiecarei achizitii in

functie de inductanta pacientului

• forma bobinelor de receptie apropiata de forma

structurii anatomice studiate

• ecranarea echipamentelor in custi Faraday

14

IM4 - 53

Controlul calitatii

• Verificari periodice:

– inductia campului magnetic,

– omogenitatea campului magnetic

– liniaritatea gradientilor

– acordul sistemului de radiofracventa

– optimizarea bobinelor de receptie

– sursele externe de zgomot

– sursele de alimentare

– echipamente periferice

– sisteme de control

IM4 - 54

Aparat RMN produs de General Electric

IM4 - 55

Aparat RMN produs de Philips (1T)

IM4 - 56

Aparat RMN de tip G-Scan, Esaote

Biomedica (0,38T)

rezonanta magnetica nucleara - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~simona/im/im4_4p.pdf · 1 im4 - 1...

Documents