Tomografia NMR Tomografia rentgenowska

Tomografia NMRTomografia rentgenowska

Plan Tomografia NMR

Wprowadzenie Podstawy teoretyczne – rezonans magnetyczny Tomograf Zasada obrazowania Przykłady Przeciwwskazania

Tomografia rentgenowska Wprowadzenie Promieniowanie rentgenowskie Tomograf Rekonstrukcja obrazu Przykłady Przeciwwskazania

Zadania

Tomografia NMR – wprowadzenie Nowoczesna i powszechnie stosowana metoda obrazowania

ciała ludzkiego

Bezpieczna dla pacjenta, wykorzystuje silne pole magnetyczne i

niejonizujące promieniowanie o częstotliwościach radiowych

Daje obrazy o dużym kontraście, ale kosztem rozdzielczości

przestrzennej

Wykorzystywana w diagnostyce obszarów patologicznych lub

zmian w fizjologii

Przykłady: diagnostyka nowotworów, angiografia, badania

aktywności mózgu, symulacje przed radioterapią

Moment magnetyczny i spin jądrowy

Większość jąder atomowych posiada mechaniczny moment pędu

I, tzw. spin

Z momentem pędu związany jest moment magnetyczny

Współczynnik proporcjonalności nazywamy

współczynnikiem magnetogirycznym

Dla wodoru wynosi 2.6752 x 108 [T-1s-1]

I

I

III

I

I

Dlaczego wodór?

Im większe są wartości oraz I, tym większy jest moment magnetyczny

spinu jądrowego, a tym samym większe pole magnetyczne wytwarzane

przez mikroskopowy magnes, którym jest atom

Jądro wodoru 1H

ma największy współczynnik magnetogiryczny

wytwarza największe pole (łatwa detekcja)

główny składnik układów biologicznych

I

Różnice w ilości wodoru w tkankach

podstawą obrazowania NMR

Warunek rezonansu Jądro atomowe o spinie I, momencie magnetycznym i

współczynniku magnetogirycznym umieszczone w zewnętrznym

polu magnetycznym B0 będzie wykonywało precesję Larmora z

częstością ,

Gdy na spin jądrowy zadziałamy zmiennym polem magnetycznym B1

o częstości równej częstości Larmora, pojawi się bardzo silne

oddziaływanie – rezonans

I

I

0BII II 2

WARUNEK REZONANSU

0BII

Rezonans w ujęciu kwantowym Jeśli układ składający się z dużej liczby małych dipoli

magnetycznych (np. próbkę zawierająca wodę) umieścimy w

zewnętrznym polu magnetycznym B0, nastąpi uporządkowanie

dipoli magnetycznych

Gdy spin cząstki wynosi 1/2 , dipole ustawią się równolegle lub

antyrównolegle do kierunku pola

Odpowiada to dwóm wartościom magnetycznej liczby kwantowej

mI = +1/2 i mI = –1/2

Kwantowanie kierunku

I

I

Rezonans w ujęciu kwantowym

Energia Em dowolnego dipola

magnetycznego umieszczonego w

zewnętrznym polu magnetycznym

wynosi:

Dla cząstek o spinie 1/2 pojawią się

pod działaniem pola dwa poziomy

energetyczne E1 i E2

201

1

BE

00 BmE IIm

B

201

2

BE

Rezonans w ujęciu kwantowym Możliwe jest indukowanie

przejść między tymi dwoma

poziomami

Energia kwantów elektro-

magnetycznych jest

równa różnicy poziomów

energetycznych :

WARUNEK REZONANSU

0BII

0BE I

E

Rezonans w praktyce

Magnetyzacja określa wartość sumy momentów magnetycznych w danej objętości

Najczęściej stosuje się impuls powodujący zmianę kierunku wypadkowej magnetyzacji o 900, tzw impuls 900 lub impuls

Magnetyzacja Mz (w kierunku z) zostaje „położona” na płaszczyznę xy

2

Relaksacja Po zadziałaniu zaburzenia układ

będzie dążył do stanu równowagi relaksacja T1 i T2

Relaksacja T1 – spin – sieć (odrost Mz) – jądra w sieci są w ruchu wibracyjnym i rotacyjnym, niektóre składowe mogą drgać z częstością Larmora, następuję przekazanie energii i powrót do stanu początkowego

Relaksacja T2 – spin – spin (zanik Mx i My), spowodowana najczęściej przez lokalne zmiany pola w samej tkance lub przez fluktuacje zewnętrznego pola

Procesy relaksacyjne opisywane są przez równania Blocha

T1 i T2 są różne dla poszczególnych

tkanek i mają wpływ na

sygnał NMR

Schemat układu

Tomograf

Najczęściej stosuje się magnesy nadprzewodzące zbudowane z

nadprzewodzącej cewki umieszczonej w ciekłym helu

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie elektromagnesu stałego.

Jednak pole generowane takim urządzeniem jest znacznie mniejsze

Przykłady cewek nadawczo-odbiorczych

Głowa i szyja Kręgosłup szyjny i piersiowy Piersi

Serce, płuca, brzuch KończynyMiednica

Metoda fourierowska

Liniowy gradient G o składowych Gx, Gy i Gz Rozkład nowego pola

r jest wektorem wodzącym o wpółrzędnych x, y, z łączącym środek układu współrzędnych z dowolnym punktem P

Cały badany obiekt można podzielić na voksele o bokach dx, dy, dz i środku w punkcie P (x, y, z)

Częstość w danym vokselu:

rG 0B

zGyGxGBBzyxB zyxz 00),,( rG

Metoda fourierowska

Metoda EPI (Echo Planar Imaging)

Jeden eksperyment, w którym mierzy się ciąg sygnałów ech

Echa gradientowe – pojawiają się w chwilach po przełączeniu impulsów gradientu Gy na –Gy

Są skutkiem periodycznego zbiegania się wektorów namagnesowania vokseli na skutek zmiany kierunku gradientu w płaszczyźnie xy

Metoda dużo szybsza niż tradycyjna fourierowska

nt 2

Metoda EPI (Echo Planar Imaging)

Jeden eksperyment, w którym mierzy się ciąg sygnałów ech

Echa gradientowe – pojawiają się w chwilach po przełączeniu impulsów gradientu Gy na –Gy

Są skutkiem periodycznego zbiegania się wektorów namagnesowania vokseli na skutek zmiany kierunku gradientu w płaszczyźnie xy

Metoda dużo szybsza niż tradycyjna fourierowska

nt 2

Przykłady

Przykłady

Przykłady

Przykłady

Przykłady

Przykłady

Przeciwwskazania i ryzyko metody

Silne stałe pole magnetyczne – nieszkodliwe do wartości 2 T

(Bezwzględne przeciwwskazania – stymulatory pracy serca i

metalowe implanty)

Gradienty pola magnetycznego i ich przełączanie – prądy

indukowane mogą powodować ogrzewanie organizmu i

magnetosfeny, powyżej 6 T/s

Efekty akustyczne przełączania gradientów – rzędu 65 – 95 dB,

zalecane stopery do uszu. W nowoczesnych tomografach –

efekty dźwiękowe nie są dokuczliwe

Tomografia rentgenowska – wprowadzenie

Nowoczesna i powszechnie stosowaną metoda obrazowania ciała

ludzkiego

Wykorzystuje jonizujące promieniowanie rentgena, dawki

promieniowania nie są jednak niebezpieczne dla pacjentów

Umożliwia wyznaczenie dowolnie zorientowanych w przestrzeni

dwuwymiarowych przekrojów ciała pacjenta

Rozdzielczość przestrzenna – ok. 0,5 mm

Umożliwia obserwacje struktur przy różnicy współczynnika

osłabienia ok. 0,4 %, pięć razy czulsza niż klasyczna radiologia

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w lampie rentgenowskiej poprzez skierowanie rozpędzonych elektronów na materiał o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej Z

Na skutek efektu fotoelektrycznego i zjawiska hamowania następuje emisja promieniowania X

Promieniowanie rentgenowskie (promienie X) – promieniowanie elektromagnetyczne o dł. fali w zakresie od 5 pm do 10 nm

Duża przenikliwość umożliwia wykorzystanie w diagnostyce i terapii medycznej

Detekcja promieniowania

Osłabienie promieniowania w tkance W TK informację o tkance

uzyskujemy na podstawie pomiaru osłabienia wiązki

Prawo absorpcji:

I – natężenie promienio-wania po przejściu przez tkankę o grubości x, I0 – początkowe natężenie, – liniowy współczynnik osłabienia

Dla tkanki o różnych

)(0

xeII

xeII 4321

0

Tomograf

Budowa i działanie tomografu

Rekonstrukcja obrazu

Czynniki wpływające na jakość obrazu Dawka

Żeby zmniejszyć szum o połowę, dawkę należy zwiększyć czterokrotnie

Rozmiar piksela, zwykle macierze 512x512 lub 1024x1024

Obszar zainteresowania (FOV, Field of View), zwykle o szerokości między 12 do 50 cm

Grubość przekroju, 1 – 10 mm

Tusza pacjenta – promieniowanie rentgenowskie jest osłabiane o 50% po pokonaniu 3,6 cm

Dawka

1Szum

Piksel

1Szum

Obszar

1Szum

zekrójPr

1Szum

Przykłady

Przykłady

Przykłady

Przykłady

Przeciwwskazania i ryzyko metody Głównym zagrożeniem jest fakt ekspozycji na działanie

promieniowania jonizującego, co może zwiększyć

prawdopodobieństwo wystąpienia nowotworu

Kobiety w ciąży nie powinny być poddawane badaniom TK ze

względu na możliwość uszkodzenia płodu

Kierunki rozwoju TK Tomografia wielu przekrojów – podczas każdego obrotu

rejestrowany jest obraz nie jednego, ale kilku przekrojów jednocześnie – kilkakrotnie szybsze badanie. Ponadto przyspieszono obrót pary lampa-detektor wokół pacjenta. W efekcie czas badania uległ skróceniu 8-krotnie.

Tomograf typu działo elektronowe – do generowania promieniowania nie używa się lampy rentgenowskiej, tylko działa elektronowego. Wiązka elektronów jest odchylana i pada na pierścień wolframowy wokół pacjenta. Nie ma potrzeby obrotu lampy wokół pacjenta, zamiast tego odchyla się wiązkę elektronów. Rezultat – wielokrotnie szybsze skanowanie. Najczęściej w badaniach serca – umożliwia uzyskanie kilku obrazów podczas jednego uderzenia serca.

Większe możliwości komputerów i oprogramowania – prezentacja trójwymiarowa.

Zadania Zarejestrowano widmo rezonansowe dla próbki zawierającej wodę

w dwóch lokalizacjach. Gradient kodujący częstotliwość ma wartość 1G/cm wzdłuż osi y. Widmo zawiera dwa piki dla częstotliwości równych +1000 Hz i -500 Hz względem częstotliwości izocentrum. Wyznacz lokalizacje wody.

Ile przekrojów można zobrazować używając sekwencji 90-FID, w której gradient kodujący przekrój trwa 20 ms, gradient kodujący fazę 10 ms, gradient kodujący częstotliwość 100 ms, a czas repetycji (czas między kolejnymi impulsami radiowymi) wynosi 1 s.

Ile wyniesie osłabienie wiązki promieniowania rentgenowskiego, która podczas badania tomograficznego przejdzie przez 1 cm mięśni, 2 cm kości, 0,5 cm tętnic i ponownie 1 cm mięśni? Liniowe współczynniki osłabienia: mięśnie: 0,46 cm-1, kości: 0,18 cm-1, krew 0,178 cm-1.

Technik obsługujący tomograf zmienił następująco ustawienia skanowania: grubość przekroju z 2 na 4 mm, obszar zainteresowania o boku 40 na 20 cm. Jak powinien zmienić dawkę, aby zachować taki sam poziom szumu?