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

Datasheet

Year, pagecount:2004, 30 page(s)

Language:Hungarian

Downloads:113

Uploaded:October 20, 2009

Size:2 MB

Institution:
-

Comments:

Attachment:-

Download in PDF:Please log in!



Comments

11110 EFERI April 19, 2015
  Tökéletesen érthető, kitűnő összefoglaló anyag.

Content extract

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 = a ν0 frekvenciájú Rf. impulzus mágneses komponense 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 )