Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie Joanna

Pompowanie optyczne 3 He Zastosowanie w medycynie Joanna i Łukasz Gut

Plan • • Rezonans magnetyczny - na czym polega - MR płuc Pompowanie optyczne 3 He - SEOP - MEOP - porównanie Obrazowanie - sekwencja impulsów w „zwykłym” MRI - sekwencja impulsów w MRI 3 He - tomografy - SNR Zastosowanie w medycynie – diagnostyka

Magnetic Resonance • • • Mapy gęstości jąder wodoru lub innych pierwiastków, których jądra mają niezerowy moment magnetyczny – 23 Na, 31 P, 13 C, 19 F. Próbkę umieszczamy w silnym zew. polu magnetycznym – rozszczepienie zeemanowskie podpoziomów jądrowych. Stosunek wartości obsadzeń - obsadzenia podpoziomów zeemanowskich • Stopień polaryzacji jest miarą wypadkowego momentu magnetycznego próbki.

MR • • Opis makroskopowy wektorowy moment magnetyczny jednostki objętości, tzw. namagnesowanie M Próbkę umieszczamy w cewce nadawczo-odbiorczej. Podajemy impuls rf o częstości rezonansowej dopasowanej do różnicy jądrowych poziomów energetycznych ω0=γB 0, γ – współczynnik giromagnetyczny, B 0 – indukcja zewnętrznego pola magnetycznego. W wyniku impulsu – obrót M o pewien kąt względem B 0.

MR • • M precesuje, Mxy indukuje w cewce odbiorczej sygnał FID – free induction decay (sygnał swobodnej precesji). Sygnał zanika po pewnym czasie, namagnesowanie wraca do położenia początkowego. Amplituda – informacja o gęstości jąder Czas zaniku – informacja o otoczeniu chemicznym

MRI Description: animated sequence of saggital transections through the human brain. The nose is to the left. Source: this is my very own brain. MRI, 10/13/2000 Author: Christian R. Linder

MRI Made from an f. MRI scan I had done. Goes from the top of my brain straight through to the bottom. That little dot that appears for a second on the upper-left hand side is a vitamin E pill they taped to the side of my head to make sure they didn't accidentally swap the L-R orientation.

MR płuc • • 1 H Stopień polaryzacji P ~ 10 -6 dla pola ~ 1 T, w temp. pokojowej, ale wystarczający dla gęstych próbek (tkanki miękkie). Płuca – obszar o małej gęstości, podczas wydechu ogólna gęstość ~ 0, 3 g/cm 3 – średnie namagnesowanie zbyt małe. Sposób na MR płuc – wypełniamy je hiperspolaryzowanym (HP) gazem, stopień polaryzacji P do 80 %. Używane 2 stabilne izotopy o spinie jądrowym ½ - 3 He i 129 Xe. 3 He

Polaryzacja 3 He Pompowanie optyczne 3 He SEOP MEOP Spin-Exchange Optical Pumping Metastability-Exchange Optical Pumping wymiana spinu z napompowanymi optycznie parami gazu alkalicznego bezpośrednie pompowanie helu + wymiana metastabilności

SEOP • • • Możliwe dla dowolnego gazu szlachetnego o niezerowym spinie jądrowym; w szerokim zakresie ciśnień - do 10 atm*. W komórce gaz szlachetny z niewielką domieszką N 2 + ok. 0, 5 g metalu alkalicznego, najczęściej Rb. Faza 1 – OP Rb – schemat na rysunku poniżej. Schemat depopulacji OP w Rb *Pożyteczny link – zamiana jednostek ciśnienia: http: //www. lw. cad. pl/jedn_cisn. htm

SEOP • • • Faza 2 – zderzenia spolaryzowanego Rb z 3 He – przekrycie funkcji falowych elektronu walencyjnego Rb i jądra 3 He – wymiana spinu Po zderzeniu atom Rb pompowany ponownie (OP jest ciągłe) Stopień polaryzacji 3 He jest eksponencjalną f-cją czasu - współczynnik podłużnej relaksacji 3 He pod nieobecność Rb - stopień polaryzacji spinu e- w Rb wyśredniowany po t i V - współczynnik wymiany spinu ~ do ilości atomów Rb

MEOP • • Bezpośrednie pompowanie gazu szlachetnego Faza 1 – OP 3 He: - przeniesienie atomów ze stanu podstawowego 11 S 0 do stanu metatrwałego 23 S 1, wyładowanie rf bo przejście optycznie wzbronione - OP z wykorzystaniem przejścia 23 S 1 (F=½) –> 23 P 0 (F=½)

MEOP • • • Rozszczepienie podpoziomów zeemanowskich w słabym zewnętrznym polu magnetycznym B 0. Komórkę z gazem, w której zachodzi wyładowanie rf oświetlamy światłem spolaryzowanym σ+ o dł. 1083 nm Wynik OP – zwiększenie obsadzenia podpoziomu 23 S 1 o m. F=+ ½ równoznaczne z polaryzacja całkowitego spinu atomu: powłoka elektronowa + jądro (sprzężenie nadsubtelne)

MEOP • • • Faza 2 – zderzenie z wymianą metatrwałości, bo do obrazowania potrzebujemy spolaryzowanego 3 He w stanie podstawowym. Spolaryzowany atom w stanie metatrwałym 23 S 1 zderza się z z niespolaryzowanym atomem w stanie podstawowym 11 S 0. Wynik zderzenia – atom spolaryzowany jądrowo w stanie podstawowym 11 S 0 (F= ½, m. F=+½) i atom niespolaryzowany w stanie metatrwałym 23 S 1, który może być ponownie spolaryzowany.

MEOP Schemat układu do polaryzacji optycznej 3 He w komórce pod ciśnieniem 1 -10 Tr (1 Tr = 0, 00136 atm) , stąd konieczność kompresji o czynnik ~ 100, aby uzyskać ciśnienie atmosferyczne.

SEOP a MEOP • • • SEOP Efektywność polaryzacji w zderzeniach Rb – 3 He ~ 0, 05 Czas potrzebny na polaryzację ~ kilku godzin Nie ma konieczności kompresji Tańszy laser Bardziej „mobilny” układ • • • MEOP Efektywność polaryzacji w zderzeniach 3 He – 3 He ~ 1 Czas potrzebny na polaryzację ~ kilka dziesiątych sekundy Konieczność kompresji Droższy laser Mniej „mobilny” układ Porównanie za H. E. Möller i in. , Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002)

Obrazowanie Sekwencja impulsów w „zwykłym” MRI Zachowanie się magnetyzacji M w układzie wirującym. a) b) c) d) e) M ma kierunek osi z. Po impulsie π/2 M ma kierunek osi y. Wskutek rozsypywania się M w wachlarz sygnał zanika. Układ po impulsie π. Układ po czasie τ od impulsu π, M indukuje echo spinowe.

Obrazowanie Sekwencja impulsów w MRI 3 He • • Zasada otrzymywania obrazu jest analogiczna jak w „zwykłym” protonowym MR. Zasadniczą różnicę jednak zauważa się w stosowanych metodach impulsowych do wyprowadzenia wektora magnetyzacji z położenia równowagowego. W przypadku 3 He nie można zastosować standardowej sekwencji echa spinowego (π/2 – π) gdyż po przeprowadzeniu magnetyzacji na płaszczyznę xy, nie ma możliwości powtórzenia sekwencji bez wprowadzenia nowej porcji spolaryzowanego optycznie helu (skutek brak związku polaryzacji P i pola B 0). Do obrazowania spolaryzowanym 3 He, stosuje się zatem inną sekwencję – z echem gradientowym i ze wzbudzeniem niskokątowym (sekwencję FLASH).

Echo gradientowe • • • W odróżnieniu od echa spinowego wywołane jest poprzez przyłożenie pól gradientowych G 1 i G 2 o przeciwnych kierunkach. Przyłożenie dodatniego (G 1>0) gradientu skutkuje rozfazowaniem spinów. Przyłożenie po pewnym czasie gradientu przeciwnego (G 2<0) spowoduje odtworzenie koherentnej precesji spinów i generację sygnału echa.

Sekwencja FLASH • Konieczność stosowania impulsów niskokątowych (α<π/2) pozwala na zastosowanie czasów repetycji, pomiędzy kolejnymi eksperymentami pojedynczymi, znacznie krótszych od czasu relaksacji T 1. • Sekwencja powtarzana jest n razy dla różnych wartości amplitudy gradientu kodowania fazy – Gy.

Tomografy [gr. tomós ‘cięty’, ‘tnący’, gráphō ‘piszę’] Zasada konstrukcji tomografów dla 3 He i protonów taka sama • • • Różne parametry techniczne elementów tomografu Inna częstość pola generowanego przez cewki ω0=γB 0: - dla 1 H ω0/2π= 48 MHz/T - dla 3 He ω0/2π= 32, 4 MHz/T W przypadku 3 He nie ma konieczności użycia wysokich pól B 0 – stopień polaryzacji nie zależy od wartości pola. Tomograf MRI

Tomograf 3 He Układ do obrazowania MR z magnesem stałym (stosowane pole B 0 ~ 0, 088 T osiągane jest przez magnesy stałe) Dodatkowa zaleta – SNR niezależne od ω0 dla HP MR

SNR HP MR Polaryzacja nierównowagowa SNR nie zależy od ω0 vs. MR Polaryzacja równowagowa SNR ~ ω0 N ~ ω0 dla częstości ω0/2π powyżej kilku MHz („experience shows”)

Diagnostyka • Obrazowanie zmian chorobowych u chorych na astmę

Diagnostyka • Obrazowanie zmian u osób palących Płuca osoby niepalącej Płuca osoby palącej

Diagnostyka • Obrazy 3 D

Diagnostyka • Badanie przepływu gazu

Bibliografia • • • K. Cieślar, T. Dohnalik, Postępy Fizyki 55, 123 (2004) H. E. Möller i in. , Magn. Reson. Med. 47, 1029 (2002) J. Stankowski, W. Hilczer, Pierwszy krok ku radiospektroskopii rezonansów magnetycznych, OWN Poznań 1994, str. 9 -53 Dziękujemy Bartkowi Głowaczowi za pomoc w przygotowaniu seminarium!

Koniec Dziękujemy za uwagę!