Tomografia NMR Tomografia rentgenowska
description
Transcript of 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?