Medical knowledge | Biophysics » Dr. Gáspár Rezső - Az NMR és MRI alapjai

Az NMR és MRI alapjai Dr. Gáspár Rezső DEOEC Biofizikai és Sejtbiológiai Int. 1895 W.C Röntgen, a róla elnevezett sugarak felfedezése Hosszú ideje megoldatlan kérdésre válasz: hogyan lehet az emberi test belsejébe látni? Az első Rtg. kép Röntgen feleségének a kezéről készült Egészen az 1970-es évekig, az MRI felfedezéséig más módszer nem volt a láthatáron Magmágneses Rezonancia Spektroszkópia (NMR) és Mágneses Rezonancia Képalkotás (MRI) Nuclear Magnetic Resonance: Alapelv felfedezéséért Fizikai Nobel díj, 1952 Felix Bloch és Edward M. Purcell High Resolution NMR, Kémiai Nobel díj, 1991 Richard Robert Ernst Általános alkalmazás: Biológiai alkalmazás: Az etanol molekula NMR spektruma: (Proton Mágneses Spektrum) kémiai szerkezet kutatás pl.fehérjék 3D szerkezete Magnetic Resonance Imaging Back-projection MRI: P.C Lauterbur (1973), FT-MRI R.R Ernst (1975), Sensitive point MRI E.R Andrew (1976), Első humán MRI

felvétel, emberi kéz (1977): A modern MRI készülékek felbontása vetekszik a CT-vel. Az MRI nem használ ionizáló (pl. Rtg) sugárzást: biztonságos Az NMR alapjai Molekulák atomokból épülnek fel: pl.: H2O molekula (az élő szervezetek szempontjából kiemelkedően fontos, emberi szervezet kb. 70 %-át teszi ki) Minden atom rendelkezik maggal: pl.: H atom magja a proton A proton fizikai tulajdonságai: Tömeg: 1.67 x 10-27 kg Töltés: +1.60 x 10-19 C Spin: I = ½ h/2π = 5.27 x 10-35 Js Mágneses momentum: µp = 1.41 x 10-26 J/T a. Spin = saját impulzus momentum vektor: L L nagysága: L = I (I + 1) ⋅ h ahol: I a spin kvantumszám b. Forgó töltés révén saját mágneses momentum vektor: MN , amelynek nagysága: M N = g N µ N I ( I + 1) gN = a mag g faktora (minden magra más) µ N = mag magneton = h e 2 m p M N g N µ N giromágneses hányados γN = = = L h a. Külső mágneses tér hiányában a mágneses momentumok véletlenszerű helyzetet

vesznek fel b. Külső mágnese tér (B0) bekapcsolása esetén a mágneses momentumok a kvantummechanika törvényeinek engedelmeskedve B0 mentén beállva precesszáló mozgást végeznek A továbbiakban mindent a spinekkel együtt forgó koordináta rendszerből szemlélünk Bo A ½ spinű részecske két beállási lehetősége + precesszió és az ennek megfelelő energia szintek külső mágneses térben: = Kvantumos gerjesztés: ∆ E = hν = g N µ N B0 NMR átmenet a Rf. tartományba esik: nem ionizáló sugárzás! CT MRI A magspin gerjesztése elektromágneses hullámmal: hν B0 B0 Az energia különbség B0 függő ! hν Rezonancia abszorpció, amikor: hν 0 = g N µ N B0 = γ N B0 h A NMR abszorpciós spektrum vonal a ν 0 rezonancia frekvenciánál jelentkezik ! A biológiai rendszerek vizsgálata szempontból fontos NMR magok MRI A folyamatos hullámú NMR kísérlet (CW) Sok spint tartalmazó minta egyensúlyi mágnesezettsége

(Mz) : Mz B0 Kissé több magspin van az alsó energia állapotban! Boltzmann eloszlás: ∆E − N2 = e kT N1 hőmérséklet B0 A 90o-os impulzus hatása a spinekkel együtt forgó koordináta rendszerből szemlélve: Egy bizonyos ideig tartó Rf. impulzussal megszüntethető Mz. A két energia szint betöltöttsége azonos lesz! A 90o-os impulzus hatására közvetlenül a B0-ra merőleges síkba fordul el a minta mágnesezettsége! B1 ν0 frekvenciájú Rf. impulzus mágneses komponense = a 90o-os B1 90o Forgó koordináta rendszerből szemlélve! A 90o –os impulzus hatása a mágnesezettség vektorra A mágnesezettség z irányú komponense 0-ra csökken A mágnezesettség vektor intenzitásának mérése az álló tekercsben indukált feszültség révén A 90o-os impulzus utáni történések, a spin rendszer szabad válasza, a FID (exp. csökkenő amplitudóval): NMR spektrométer vázlata: FID 90o pulse Homogén mágneses tér A valóságban a FID-hez

képest a 90o –os impulzus igen rövid: tpulse Az NMR spektrumról szóló információ a FID-ben van: Fourier transzformáció alkalmazása az idő és frekvencia domainek közötti konverzióra Matematikai operáció – számítógépet igényel Fourier szintézis pl. zenei szintetizátorok Fourier analízis pl. fül High Resolution NMR, oldatban lévő molekulák vizsgálata homogén mágneses térben a. Molekulák NMR spektrumának oka: Kémiai leárnyékolás, amelynek oka a környező elektron felhő által a mag helyén létrehozott mágneses tér (a.), amely a molekulán belül változik (b.) B = B0 (1 − σ ) b. Kémiai eltolódás, a molekula NMR vonalai helyzetének jellemzésére egy kiválasztott referencia referencia anyag NMR vonalához képest ⎧ν − ν ref ⎫ 6 δ =⎨ ⎬ ⋅ 10 ppm ⎩ ν ref ⎭ TMS Kémiai szerkezet azonosítás a kémiai eltolódások alapján: NMR relaxációs folyamatok: Spin-spin relaxáció (T2 ) közvetlenül a

90o –os impulzus után M XY = M XYo e − t T2 A mágnesezettség vízszintes komponense 0-ra csökken mivel a mágneses momentumok “nem szeretik egymást”. Az x, vagy y tengely mentén álló detektor tekercsben exponenciálisan 0-ra csökken az indukált feszültség (FID)! Spin-rács relaxáció (T1) alatt a spin rendszer visszakerül a 90o –os impulzus előtti hőegyensúlyi helyzetbe : A mágnesezettség vízszintes komponense az egész folyamat alatt 0, ezért a folyamatot áttételesen lehet mérni A spin-rács relaxációs idő mérése a 90o -τ- 90o impulzus szekvenciával A spin-rács relaxációs idő mérése a 180o -τ- 90o impulzus szekvenciával A 180o impuzus kétszer olyan hosszú ideig tart mint a 90o –os ! A Hahn féle spin echo impulzus szekvencia A spin-echo impulzus szekvencia (folyt.) 90o - τ - 180o 1. A spin-echo szekvencia: 90o - τ - 180o (ismétlés) 2. defókuszálódás 3 4. újra fókuszálódás echo helye 1. 2

3 4. Carr-Purcell impulzus szekvencia a T2 mérésére ( 90o - τ - 180o - 2 τ - 180o - 2 τ - 180o )