Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym ... · Tomograf MR z magnesem...
Transcript of Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym ... · Tomograf MR z magnesem...
Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym rezonansie j ądrowym do bada ń
mikroheterogennych układów zło żonych
WWłładysadysłław P. Waw P. WęęglarzglarzZakZakłład Tomografii Magnetyczno ad Tomografii Magnetyczno -- RezonansowejRezonansowej
Instytut Fizyki JInstytut Fizyki Jąądrowej PAN drowej PAN im. Henryka Niewodniczaim. Henryka Niewodniczańńskiegoskiego
TematykaTematykaWprowadzenie do stosowanych metod badawczychWprowadzenie do stosowanych metod badawczych
– Magnetyczna Relaksacja Jądrowa (MRJ)– Wymiana magnetyzacji (MT)– Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (MRI)– Dyfuzja anizotropowa (DT MRI)
♦♦ PrzykPrzykłłady wykorzystania do badaady wykorzystania do badańń mikroheterogennychmikroheterogennychukukłładadóów zw złłoożżonychonych– Polimery syntetyczne (polipropylen) - MRJ– Biopolimery (poliprolina, poliglicyna) – MRJ, MT– Drewno (celuloza) – MRJ, MT– Materiały żywnościowe (skrobia) - MRJ, MRI – Tkanki zwierzęce in vitro i in vivo (tkanka nerwowa) – DT MRI
Energia spinEnergia spinóów w polu magnetycznym w w polu magnetycznym I=1/2I=1/2
Pole magnetyczne B0
E
0Bγω =
Parametry jParametry jąąder rezonansowychder rezonansowych
Spin
162.1610017.25½31P
105.8410011.263/223Na
376.6610040.07½19F
100.681.1010.71½13C
400.2699.98542.58½1H
ωωωω0 w polu B0=9.4 T [MHz]
Naturalna
abundancja [%]γγγγ [s-1T-1]JJJądro
Obrazowanie MR (MRI): 1H, …Spektroskopia zlokalizowana (MRS): 1H, 13C, 31P, …
Ewolucja magnetyzacjiEwolucja magnetyzacji
B0
z
X’
Y’M0
1. Impuls RF 90 (wzbudzenie – dostarczenie energii)2. Relaksacja
1. Poprzeczna (spinowo-spinowa – T2, T2*)2. Podłużna (spinowo-sieciowa – T1 w polu Bo, T1ρ w polu B1)
T1
T2
Obrazowanie Obrazowanie magnetycznomagnetyczno--rezonansowe (MRI)rezonansowe (MRI)
Obiekt(próbka)
Pole elektro-
magnetyczne B1
Pole magnetyczne
B0
Gradienty pola
magnetycznego
MagnetycznyRezonans
Jądrowy (NMR)
ω = γω = γω = γω = γB0
SygnałTransformata
FourieraWidmoObraz
G 40mT/m
20T/s, 5kHz
10%
Nowoczesny skaner MRI
B0 0.2-11.7T
statyczne
1ppm
RF – B1 25µT
8-500MHz
10%
Analiza 2D czasAnaliza 2D czasóów relaksacji w relaksacji program program CracSpinCracSpin
),(),(),,,( 0 22ijij
11i21 atRaRAataRrrrr
∑ ⋅+= ττ
( )( ),...,...;...,...,
,...,...;...,...,
22
11
ii
ii
mTa
mTa
≡≡
r
r
W.P. Węglarz, H. Harańczyk, J. Phys. D: Appl. Phys. 33, 1909-1920 (2000)
Magnetyczna Relaksacja JMagnetyczna Relaksacja Jąądrowa drowa i Wymiana Magnetyzacji w i Wymiana Magnetyzacji w
((bio)polimerachbio)polimerach
♦♦ Polimery syntetyczne (polipropylen) Polimery syntetyczne (polipropylen)
♦♦ Drewno (celuloza) Drewno (celuloza)
♦♦ Biopolimery (Biopolimery (poliprolinapoliprolina, , poliglicynapoliglicyna))
♦♦ Wymiana magnetyzacji na granicy wodaWymiana magnetyzacji na granicy woda--llóódd
Physics Department, Uniwersity of WaterlooWaterloo, Kanada
PolypropylenPolypropylen
w. krystaliczny (w. krystaliczny ( izotaktycznyizotaktyczny ))w. amorficzny (w. amorficzny ( ataktycznyataktyczny ))TTtt:: 174 174 ººC (C (izotaktycznyizotaktyczny ))TTgg:: --17 17 ººCC0.855 g/cm0.855 g/cm 33, f. amorficzna, f. amorficzna0.946 g/cm0.946 g/cm 33, f. krystaliczna, f. krystaliczna
Polipropylen Polipropylen izotaktycznyizotaktyczny2D analiza relaksacji (T2D analiza relaksacji (T11ρρ –– TT22))
W.P. Węglarz , H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)
35 ºC-75 ºC
Polipropylen Polipropylen izotaktycznyizotaktyczny2D analiza relaksacji (T2D analiza relaksacji (T11ρρ –– TT22))
W.P. Węglarz , H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)
Polipropylen Polipropylen 2D analiza relaksacji (T2D analiza relaksacji (T11 –– TT22))
W.P. Węglarz , H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)
35 ºC
Polipropylen Polipropylen izotaktycznyizotaktyczny
Skorelowane pomiary (TSkorelowane pomiary (T11ρρ –– TT22) i (T) i (T11 –– TT22))♦♦ Pierwsze tak dokPierwsze tak dokłładne pomiary i analiza adne pomiary i analiza ♦♦ Identyfikacja faz krystalicznej i amorficznejIdentyfikacja faz krystalicznej i amorficznej♦♦ Wyznaczenie stopnia krystalicznoWyznaczenie stopnia krystalicznośści ci ♦♦ PrzejPrzejśścia fazowe w fazie amorficznejcia fazowe w fazie amorficznej
– Przejście z fazy szklistej do plastycznej -15 ºC, 15 ºC, 70 ºC
– Przejścia w fazie plastycznej♦♦ Dyfuzja spinowa Dyfuzja spinowa
Analiza wymiany magnetyzacjiAnaliza wymiany magnetyzacjiProgram Program ExFitExFit
...)(...)()(...)...()( ++++++++−= τττ
ττ
pipjijiipijii mkmkmkkR
d
dm
m C e C e C ei i i i( )τ λ τ λ τ λ τ= + +− − − + −− +0 0
Drewno Drewno
Celuloza 40-50 %Hemicelulozy 20-35 %Ligniny 15-35 %
Drewno Drewno –– czasy relaksacji czasy relaksacji 11H H
Drewno osikiUdział protonów [%]
-OH 27,3-CH3 10,5Inne 62,2
Analiza wymiany magnetyzacji Analiza wymiany magnetyzacji drewno osikidrewno osiki
kab=64 s-1 kbc=640 s-
1
T1a = 870 ms T 1b = 29 ms
T1c = 19 ms
Wood A73 %
T2a = 14 ms
Wood B10 %
T2b = 28 µµµµs
H2O17 %
T2c=0.8 ms
LATTICE
D. A. Oleskevich, N. Ghahramany, W. P. Weglarz , H. Peemoeller –J. Magn. Reson., B 113, 1–8 (1996)
Wood B ≡ protony grup -OH dostepnych dla wody
Wymiana magnetyzacjiWymiana magnetyzacjiwoda woda -- llóódd
♦♦ PEG/HPEG/H220 (25/75% w/w)0 (25/75% w/w)
♦♦ -- 25 25 ººCC
PEG ↔ woda ↔ lód
kPEG-woda 12 s-1
Kwoda-lód 1 s-1
M0[%] T 1[ms]
Lód 75,6 70Woda 3,0 10PEG 21,4 290
W.P.Węglarz , H.Peemoeller, J. Magn. Reson., 124, 484-485 (1997).
Wymiana magnetyzacji Wymiana magnetyzacji poliglicynapoliglicyna -- wodawoda
H. Peemoeller, M.B. MacMillan, W.P. Weglarz , et. al. Biopolymers, 50(6), 630-640 (1999)
Woda w materiaWoda w materiałłach ach żżywnoywnośściowychciowych
♦♦ „„GravimetricGravimetric TimeTime DomainDomain NMRNMR””
– Wyznaczanie zawartości wody i frakcji rozpuszczalnej ♦♦ Obrazowanie magnetycznoObrazowanie magnetyczno--rezonansowe migracji wodyrezonansowe migracji wody
– Szybkie uwadnianie – „instant food”
– Wolne uwadnianie – „shelf life”
UnileverUnilever FoodFood andand HealthHealth ResearchResearch InstituteInstitute, ,
DeptDept. . ofof AdvancedAdvanced MeasurementsMeasurements andand ImagingImaging, ,
VlaardingenVlaardingen, Holandia, 2005, Holandia, 2005--2007, 2007,
MC EIF MC EIF FellowshipFellowship –– „„WATERMAPWATERMAP””
StarchStarch
TimeTime DomainDomain NMR NMR solid
liquid
increased water content & mobility (T2)
( )
WMWLMSLS
3
iTt
eiL
wtwtsin2
Tt
s2
Tt
gS
SSSSSSSS
)exp(AS
))(exp(A))(exp(AS
2ei
2s2g
+=++=+=
−=
⋅−+−=
∑
GravimetricGravimetric TD NMRTD NMRModel uwadniania Model uwadniania
dryWMdry
WMM
W MCm
m
S
S ⋅=∆= ρρ
I. Sucha masa próbki znanamM = mdry = m0mW = m-m0 = ∆m
II. Sucha masa próbki nieznanamM = mdry = m0 -δm0mW = ∆m + δm0
0*
0*0
0
00
*
S
mS
m
Sm
m
S
S
WMWM
WM
WMM
W
δρρρδδ
δρ
−=
⋅=
+∆=
W.P. Węglarz , M. Witek, C. Inoue, J. van Duynhoven, H. Van As, Proc. ISOPOW 10, Jan. 2010, Wiley-Blackwell (2010) 411
Uwadnianie ryUwadnianie ryżżuu
0.85 0.85 –– 1.21.2Lipids
1.01.0Water
1.51.5Amylose (type B)
1.751.75Amylose (type A)
1.81.8Amylose
ρρ
M. Witek, W.P. Węglarz, et. al., Food Chemistry, 120 (4), (2010), 1031 -1040
Model uwadniania Model uwadniania frakcja rozpuszczalna/plastycznafrakcja rozpuszczalna/plastyczna
W.P. Węglarz , M. Witek, C. Inoue, J. van Duynhoven, H. Van As, Proc. ISOPOW 10, Jan. 2010, Wiley-Blackwell (2010) 411
dry
S
dry
SNS
S
dry
dry
SNS
W
M
W
m
m
m
mm
m
m
mS
S⋅
−
⋅+∆⋅
−
⋅=
1
1
1
1
ρρ
ρρ
TD NMR (FID TD NMR (FID –– CPMG)CPMG)
solid
liquid
increased water content & mobility (T2)
FSE (RARE)SPI
Obrazowanie migracji wody Obrazowanie migracji wody „„instant instant foodfood””
♦♦ Metoda pomiaru:Metoda pomiaru:RARE (Fast Spin Echo)RARE (Fast Spin Echo)
♦♦ TemperaturTemperaturaa: : 25 25 °°C lub C lub 60 60 °°CC
♦♦ RozdzielczoRozdzielczośćść czasowaczasowa: : ~4 min lub ~4 min lub ~2 min ~2 min
♦♦ RozdzielczoRozdzielczośćść przestrzennaprzestrzenna: : ~0.3 mm~0.3 mm (3D)(3D)
H2O
Sucha próbkaMigracja wody
Obrazowanie migracji wody
W.P. Węglarz et. al. , Food Chemistry, 106 (2008), 1366-1374
Obrazowanie uwadnianiaObrazowanie uwadniania„„instant instant foodfood””
1. uwadnianie kapilarne,
2. nasiąkanie matrycy i pęcznienie
Obrazowanie migracji wody Obrazowanie migracji wody PorPoróównanie strukturwnanie struktur
Hydration - different structures
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9
Structure
Hyd
ratio
n tim
e [m
in]
90%
50%
10%
Obrazowanie migracji wody – „shelf life”
Zadania:Deweloper produktu: zatrzymać wilgoć w nadzieniu ~3 miesiąceNaukowiec: wyjaśnić dlaczego po 4 tygodniach jest źle ?
Obrazowanie migracji wody – „shelf life”
Metoda pomiaru:SPI(niskie uwodnienie,krótki T2)
bariera jogurt„normalna” bariera
„catastrophic failure”
nadzienie
shell
Obrazowanie migracji wody – „shelf life”
nadzieniebarieraotoczka zbożowa
11d 29d 50d 86d
Obrazowanie dyfuzji anizotropowej w Obrazowanie dyfuzji anizotropowej w tkankach nerwowychtkankach nerwowych
♦♦ Dyfuzja anizotropowaDyfuzja anizotropowa
– Dyfuzja ograniczona– Tensor dyfuzji
♦♦ Tkanka nerwowa rdzenia krTkanka nerwowa rdzenia kręęgowegogowego♦♦ Zastosowania obrazowanie dyfuzji Zastosowania obrazowanie dyfuzji
anizotropowejanizotropowej
– Traktografia– Uszkodzenia rdzenia kręgowego
Zakład Tomografii MR IFJ PAN
Dyfuzja swobodna i ograniczonaDyfuzja swobodna i ograniczona
∆⋅⋅= DR 2
∆∆∆∆ czas dyfuzjiR średnie przemieszczenieD współczynnik dyfuzji
R2
∆∆∆∆
H2O, 21oC D = 2x10-3 mm2/s
∆ [ms] 10 40 100R [µm] 6 12 20
RdzeRdzeńń krkręęgowy gowy -- ggłłóówne szlaki nerwowe wne szlaki nerwowe
www.paraplegic-online.com
Pomiar dyfuzjiPomiar dyfuzji
G Gt
G
∆
DbA
bA ⋅−=
)0(
)(ln ( )[ ]δδγ 3
1222 −∆= Gb
δ
RdzeRdzeńń krkręęgowy gowy -- budowabudowa
Obrazowanie MR dyfuzji Obrazowanie MR dyfuzji anizotropowejanizotropowej
0 360 810 1440 2250 3240b[s/mm2]
RdzeRdzeńń krkręęgowy gowy –– dyfuzja ograniczonadyfuzja ograniczona
Diffusion TensorDiffusion Tensor
lnA ( )A (0)
2 b D,
b
= −
=∑γ α β
α βα β
1
3
6 independent components
βααβ
αβ
DD
DDD
DDD
DDD
D
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
=
= ,
=
3
2
1
00
00
00
λλ
λ
αβDdiagonalisation
L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A (5), 278-307 (2007)
xy
z
Dyfuzja anizotropowa Dyfuzja anizotropowa -- mmóózgzg
1.5T, zdrowy wolontariusz, Centrum Obrazowania Helimed sp. z o.o. , Katowice
TraktografiaTraktografia –– skrzyskrzyżżowane wowane włłóóknakna
Tensory wyższych rzędów Harmoniki sferyczneDiffusion Spectrum Imaging - DSI
L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A30A30A30A (5), 278-307 (2007)
Uszkodzenie rdzeniaUszkodzenie rdzenia
Mechanizmy pierwotne Mechanizmy pierwotne uszkodzeniauszkodzenia
♦♦ Zniszczenie mechaniczne Zniszczenie mechaniczne struktury rdzenia (rozerwania, struktury rdzenia (rozerwania, ststłłuczenia, rozciuczenia, rozciąągnignięęcia)cia)
♦♦ Przemieszczenia elektrolitPrzemieszczenia elektrolitóóww
♦♦ Spadek aktywnoSpadek aktywnośści ci NaNa++--KK++--ATPATP--azyazy
♦♦ Zniesienie bariery krewZniesienie bariery krew--mmóózgzg--rdzerdzeńń
♦♦ KrwotokiKrwotoki
Mechanizmy wtMechanizmy wt óórne rne uszkodzeniauszkodzenia
♦♦ ObrzObrzęęk k ♦♦ NiedokrwienieNiedokrwienie♦♦ PobudzajPobudzająące aminokwasy ce aminokwasy
((ekscytotoksycznoekscytotoksycznośćść))♦♦ Penetracja CaPenetracja Ca++++ do komdo komóórekrek♦♦ Wolne rodniki Wolne rodniki –– peroksydacjaperoksydacja
lipidlipidóóww♦♦ Nacieki zapalneNacieki zapalne
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
1 6 11 16 21
Numer ROI
DL
[10
-3m
m2 /s
]
0
0,050,1
0,150,2
0,25
1 6 11 16 21
Numer ROID
T [1
0-3m
m2 /s
]
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1 6 11 16 21
Numer ROI
IDUszkodzenie rdzenia krUszkodzenie rdzenia kręęgowegogowego
1 mm
1 ... 22
path #2
spinalcord lesion
A.T. Krzyżak et. al., Acta Neurobiol. Exp. 65, 255-264 (2005)W.P. Weglarz et. al., Appl. Magn. Reson., 15, 333-341 (1998)
Uszkodzenie rdzeniaUszkodzenie rdzenia
T2
T2
DT
DL
cysta cysta + blizna
5 mm
Uszkodzenie rdzeniaUszkodzenie rdzenia -- DW MRIDW MRI
0 1 2 3 40,0000
0,0004
0,0008
0,0012
0,0016
0,0020
0,0024
DL [m
m2/s
]
numer pomiaru
istota biała istota szara
1
0 1 2 3 40,0000
0,0004
0,0008
0,0012
0,0016
0,0020
0,0024
DT
[m
m2 /s
]
numer pomiaru
istota biała istota szara
1
0 1 2 3 40,0000
0,0004
0,0008
0,0012
0,0016
0,0020
0,0024
3 istota biała istota szara
numer pomiaru
DL [m
m2 /s
]
0 1 2 3 40,0000
0,0004
0,0008
0,0012
0,0016
0,0020
0,00243
DT
[m
m2/s
]
numer pomiaru
istota biała istota szara
Pomiar kontrolny Uszkodzenie rdzenia
Ograniczanie skutkOgraniczanie skutkóów urazuw urazu
Tomograf MR
z magnesem nadprzewodzącym 9,4T
Zalety:
- Wysokie pole – lepszy SNR
- Bogate wyposażenie i
oprogramowanie sterujące
(kilkanaście głowic
pomiarowych; krio-cewka)
- Szeroki zakres możliwych do
zastosowania technik
obrazowania i spektroskopii
zlokalizowanej (1H, 31P, 13C,
19F)
Zastosowanie:
Badania biomedyczne (modele
zwierzęce)
Badania materiałowe
Instalacja – maj 2011
„„Wirtualna histologiaWirtualna histologia””
♦♦ MMóózg oposa exzg oposa ex--vivo; vivo; ProhanceProhance; 9,4T; 50x50x50 ; 9,4T; 50x50x50 µµmm33
MMóózg myszy zg myszy inin vivovivo9.4 T , 9.4 T , kriocewkakriocewka, IR, IR--UTEUTE
TE 350 µsRozdzielczość: 120x120 µmWarstwa: : 1 mm
Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie
1986
Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce
2011
Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce
Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie1986
Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce
2011
Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce
Prof. Andrzej JasiProf. Andrzej Jasińńskiski
1940 1940 -- 20112011
1986 1986 firstfirst MRI MRI inin PolandPoland
(MR (MR MicroscopeMicroscope))
0.6T 0.6T permanentpermanent magnet, magnet, BrukerBruker MSL MSL electronicselectronics,,CAMAC CAMAC basedbased controlcontrol unitunit
Obrazowanie MR w Polsce
DziDzięękujkujęę za uwagza uwagęę