Tomografia NMR Tomografia rentgenowska
advertisement
Tomografia NMR Tomografia rentgenowska Plan Tomografia NMR Tomografia rentgenowska Wprowadzenie Podstawy teoretyczne – rezonans magnetyczny Tomograf Zasada obrazowania Przykłady Przeciwwskazania 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, aktywności mózgu, symulacje przed radioterapią badania Moment magnetyczny i spin jądrowy Większość jąder atomowych posiada mechaniczny moment pędu I, tzw. spin Z momentem pędu związany jest moment magnetyczny I I I Współczynnik proporcjonalności I nazywamy współczynnikiem magnetogirycznym Dla wodoru I wynosi 2.6752 x 108 [T-1s-1] I I Dlaczego wodór? Im większe są wartości I 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 Różnice w ilości wodoru w tkankach podstawą obrazowania NMR Warunek rezonansu Jądro atomowe o spinie I, momencie magnetycznym I i współczynniku magnetogirycznym I umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym B0 będzie wykonywało precesję Larmora z częstością I 2I , I I B0 Gdy na spin jądrowy zadziałamy zmiennym polem magnetycznym B1 o częstości równej częstości Larmora, pojawi się bardzo silne oddziaływanie – rezonans WARUNEK REZONANSU I I B0 Rezonans w ujęciu kwantowym Jeśli układ składający się z dużej liczby małych dipoli magnetycznych I (np. próbkę zawierająca wodę) umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym B0, nastąpi uporządkowanie dipoli magnetycznych I 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 Rezonans w ujęciu kwantowym Energia Em dowolnego dipola magnetycznego umieszczonego w zewnętrznym polu magnetycznym wynosi: Em B0 I mI B0 Dla cząstek o spinie 1/2 pojawią się pod działaniem pola dwa poziomy energetyczne E1 i E2 1 B0 E1 2 1 B0 E2 2 Rezonans w ujęciu kwantowym Możliwe jest indukowanie przejść między tymi dwoma poziomami Energia kwantów elektromagnetycznych jest równa różnicy poziomów energetycznych E : E I B0 WARUNEK REZONANSU I I B0 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 2 Magnetyzacja Mz płaszczyznę xy (w kierunku z) zostaje „położona” na 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 Serce, płuca, brzuch Kręgosłup szyjny i piersiowy Miednica Piersi Kończyny Metoda fourierowska Liniowy gradient G o składowych Gx, Gy i Gz Rozkład nowego pola Bz ( x, y, z ) B0 G r B0 Gx x G y y Gz z 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: B0 G r Metoda fourierowska Metoda EPI (Echo Planar Imaging) Jeden eksperyment, w którym mierzy się ciąg sygnałów ech Echa gradientowe – pojawiają się w chwilach t 2n 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 Metoda EPI (Echo Planar Imaging) Jeden eksperyment, w którym mierzy się ciąg sygnałów ech Echa gradientowe – pojawiają się w chwilach t 2n 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 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 (promienie X) – promieniowanie elektromagnetyczne o dł. fali w zakresie od 5 pm do 10 nm Duża przenikliwość umożliwia wykorzystanie w diagnostyce i terapii medycznej 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 Detekcja promieniowania Osłabienie promieniowania w tkance W TK informację o tkance uzyskujemy na podstawie pomiaru osłabienia wiązki Prawo absorpcji: I I 0 e ( x ) I – natężenie promieniowania po przejściu przez tkankę o grubości x, I0 – początkowe natężenie, – liniowy współczynnik osłabienia Dla tkanki o różnych I I 0 e 1 2 3 4 x Tomograf Budowa i działanie tomografu Rekonstrukcja obrazu Czynniki wpływające na jakość obrazu Dawka Szum 1 Dawka Żeby zmniejszyć szum o połowę, dawkę należy zwiększyć czterokrotnie Rozmiar piksela, zwykle macierze 512x512 lub 1024x1024 Szum Obszar zainteresowania (FOV, Field of View), zwykle o szerokości między 12 do 50 cm Szum 1 Obszar Grubość przekroju, 1 – 10 mm Szum 1 Piksel 1 Pr zekrój Tusza pacjenta – promieniowanie rentgenowskie jest osłabiane o 50% po pokonaniu 3,6 cm 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?
