Rezonanta magnetica nucleara (RMN) Rezonanta magnetica nucleara 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 IM4-1 IM4-2 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 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 IM4-3 IM4-4 1
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 (O 2, unii produsi ai sangelui, subst. de contrast pe baza de gadoliniu) feromagnetice intensifica campul extern; de multe ori au magnetism propriu (Fe, Co, Ni) Magnetism (3) Dipoli Inductia magnetica B Tesla (T) Gauss (G): 1 T=10 000 G Campul terestru 1/20000 T IM4-5 IM4-6 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) IM4-7 Nucleu Caracteristicile magnetice ale diferitelor elemente Număr de spin Abundenţă izotopică % Moment magnetic IM4-8 Concentraţie fiziologică relativă Sensibilitate relativă 1 H 1/2 99,98 2,79 100 1 16 O 0 99,0 0 50 0 17 O 5/2 0,04 1,89 50 9 10-8 19 F 1/2 100 2,63 4 10-6 3 10-8 23 Na 3/2 100 2,22 8 10-2 1 10-4 31 P 1/2 100 1,13 7,5 10-2 6 10-5 2
Momentul magnetic Momentul magnetic (2) Campul magnetic al protonului Momentul magnetic (M) Orientarea aleatoare Orientarea in camp magnetic extern (paralel- nivel energetic scazut; antiparalel nivel energetic mai ridicat) IM4-9 IM4-10 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 (2 10-6 ) -> intr-un voxel, 10 21 protoni, sunt cu 2 10-6 10 21 =2 10 15 mai multi protoni aliniati paralel cu campul -> camp detectabil Momentul magnetic (4) IM4-11 IM4-12 3
Miscarea de precesie (1) Pe langa orientarea paralela cu liniile de camp apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic Miscarea de precesie (2) IM4-13 IM4-14 Miscarea de precesie (3) frecventa miscarii de precesie este proportionala cu inductia campului magnetic: 0 B 0 de unde frecventa (de ordinul MHz) (frecventa Larmor): f 0 B0 2 - unde γ este raportul giromagnetic, specific fiecarui element Raportul giromagnetic Nucleu γ/2π (MHz/T) 1 H 42,58 13 C 10,7 17 O 5,8 19 F 40,0 23 Na 11,3 31 P 17,2 IM4-15 IM4-16 4
Campul magnetic perpendicular Este nul Un impuls de radiofrecventa cu frecventa egala cu frecventa de precesie (camp magnetic B 1 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 Miscarea de dubla precesiune 1 B 1 IM4-17 IM4-18 Campul magnetic utilizat Inductia 1 H 31 P Rezonanta si excitatie (1) 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 1,5T f=42,58mhz/t 1,5T =63,87MHz f=17,2mhz/t 1,5T =25,8MHz 3,0T f=42,58mhz/t 3,0T =127,74MHz f=17,2mhz/t 3,0T =51,6MHz 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 IM4-19 IM4-20 5
Rezonanta si excitatie (2) Rezonanta si excitatie (3) Semnal de inductie libera (free induction decay FID) IM4-21 IM4-22 Rezonanta si excitatie (4) Rezonanta si excitatie (5) + Impuls de 90 Impuls de 180 IM4-23 IM4-24 6
Rezonanta si excitatie (6) Rezonanta si excitatie (7) Efectul impulsului RF asupra vectorului de magnetizatie IM4-25 IM4-26 Rezonanta si excitatie (8) Rezonanta si excitatie (9) Constanta de relaxare transversala T 2 atenuarea oscilatiei libere datorata interactiunii spin-spin; este exponentiala si este tipica fiecarui element Constanta de relaxare longitudinala T 1 timpul necesar ca magnetizarea longitudinala M z sa revina la valoarea de 63% din valoarea initiala, dupa ce s-a aplicat un implus de 90 T 1 > T 2 IM4-27 IM4-28 7
Rezonanta si excitatie (10) Rezonanta si excitatie (12) 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 cefalorahidian 1800 2400 160 IM4-29 IM4-30 Rezonanta si excitatie (13) Rezonanta si excitatie (14) IM4-31 IM4-32 8
Rezonanta si excitatie (15) Codajul spatial al imaginii (1) IM4-33 IM4-34 Codajul spatial al imaginii (2) Codajul spatial al imaginii (3) IM4-35 IM4-36 9
Codajul spatial al imaginii (4) Selectarea planului (3) IM4-37 IM4-38 Impulsul de radiofrecventa Masurarea selectiva a T 2, T 1 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 Structura unui echipament cu RMN IM4-39 IM4-40 10
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 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 IM4-41 IM4-42 Electromagneti supraconductori (2) Dezavantaje: costuri initiale ridicate costurile materialelor criogenice dificultatea de a intrerupe campul magnetig in urgente 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 IM4-43 IM4-44 11
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 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 IM4-45 IM4-46 Generarea gradientilor (2) Generarea gradientilor (3) IM4-47 IM4-48 12
Variatia frecventei de precesie Variatia frecventei de precesie (2) IM4-49 IM4-50 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 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 IM4-51 IM4-52 13
Controlul calitatii Aparat RMN produs de General Electric 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 IM4-53 IM4-54 Aparat RMN produs de Philips (1T) Aparat RMN de tip G-Scan, Esaote Biomedica (0,38T) IM4-55 IM4-56 14