Μαγνητική Μαγνητική ΤομογραφίαΤομογραφία

Σεμινάριο Φυσικής 2009Σεμινάριο Φυσικής 2009

Τουλουμτζή ΣουζάναΤουλουμτζή ΣουζάναΕπιβλέπουσα Καθηγήτρια: Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Θ.ΠαπαδοπούλουΘ.Παπαδοπούλου

Ιστορική αναδρομήΙστορική αναδρομή

1946 1946 ανακάλυψη του φαινομένου ανακάλυψη του φαινομένου από τους από τους E. Purcell E. Purcell και και F. BlochF. Bloch

1972 1972 ιδέα της χρησιμοποίησης του ιδέα της χρησιμοποίησης του MRI MRI για την ανίχνευση όγκων στο για την ανίχνευση όγκων στο ανθρώπινο σώμαανθρώπινο σώμα από τον από τον R. DamadianR. Damadian

1973 1973 in vivo in vivo απεικονίσεις ιστών και απεικονίσεις ιστών και οργάνων ασθενών από οργάνων ασθενών από P. LauterburP. Lauterbur

1981 1981 και μετά και μετά συστηματική συστηματική χρησιμοποίηση του μαγνητικού χρησιμοποίηση του μαγνητικού τομογράφου σε νοσοκομεία και τομογράφου σε νοσοκομεία και ιατρικά κέντραιατρικά κέντρα

Πυρηνικός Μαγνητικός Πυρηνικός Μαγνητικός ΣυντονισμόςΣυντονισμός

Δε χρησιμοποιείται ακτινοβολία για την Δε χρησιμοποιείται ακτινοβολία για την απεικόνισηαπεικόνιση

Βασίζεται στην ύπαρξη μαγνητικής ροπής σε Βασίζεται στην ύπαρξη μαγνητικής ροπής σε πυρήνες που περιέχουν περιττό αριθμό πυρήνες που περιέχουν περιττό αριθμό πρωτονίων (πχ πρωτονίων (πχ 11Η, Η, 3131Ρ, Ρ, 2323Na, Na, 1313CC). ). Κάθε Κάθε τέτοιος πυρήνας έχει σπιν που τον καθιστά τέτοιος πυρήνας έχει σπιν που τον καθιστά μικροσκοπικό ανιχνεύσιμο μαγνήτημικροσκοπικό ανιχνεύσιμο μαγνήτη

Οι εφαρμογές της απεικόνισης με μαγνητικό Οι εφαρμογές της απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό στηρίζονται κυρίως στη συντονισμό στηρίζονται κυρίως στη διέγερση πυρήνων υδρογόνου που βρίσκονται διέγερση πυρήνων υδρογόνου που βρίσκονται σε αφθονία στον ανθρώπινο οργανισμόσε αφθονία στον ανθρώπινο οργανισμό

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού Οι πυρήνες αποτελούνται Οι πυρήνες αποτελούνται

από νουκλεόνια που από νουκλεόνια που περιστρέφονται περιστρέφονται έχουν έχουν σπινσπιν

Αυτοί που έχουν σπιν Αυτοί που έχουν σπιν διαφορετικό του 0 διαφορετικό του 0 εμφανίζουν μαγνητική ροπήεμφανίζουν μαγνητική ροπή

Όταν οι πυρήνες Όταν οι πυρήνες τοποθετηθούν μέσα σε τοποθετηθούν μέσα σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο οι μαγνητικές τους ροπές οι μαγνητικές τους ροπές γίνονται παράλληλες ή γίνονται παράλληλες ή αντιπαράλληλες με αυτόαντιπαράλληλες με αυτό

Οι πυρήνες που παίρνουν Οι πυρήνες που παίρνουν παράλληλη θέση είναι παράλληλη θέση είναι περισσότεροι (δημιουργία περισσότεροι (δημιουργία μαγνήτισης)μαγνήτισης)

Διαχωρισμός ενεργειακών Διαχωρισμός ενεργειακών σταθμώνσταθμών

Οι πυρήνες που έχουν παράλληλο σπιν Οι πυρήνες που έχουν παράλληλο σπιν βρίσκονται σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη βρίσκονται σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη από αυτούς που έχουν αντιπαράλληλο σπιναπό αυτούς που έχουν αντιπαράλληλο σπιν

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού Αφού οι πυρήνες έχουν στροφορμή, η Αφού οι πυρήνες έχουν στροφορμή, η

μαγνητική τους ροπή Μ περιστρέφεται μαγνητική τους ροπή Μ περιστρέφεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο με τη μέσα στο μαγνητικό πεδίο με τη συχνότητα συχνότητα Larmor Larmor

Για να απεικονιστεί ένα υλικό οι πυρήνες Για να απεικονιστεί ένα υλικό οι πυρήνες του πρέπει να εκπέμψουν σήμα συχνότητας του πρέπει να εκπέμψουν σήμα συχνότητας ωω0 0 τους διεγείρουμε με εφαρμογή εκτός τους διεγείρουμε με εφαρμογή εκτός του του HH0 0 στην κατεύθυνση στην κατεύθυνση z z και ενός και ενός εναλλασσόμενου πεδίου εναλλασσόμενου πεδίου HH1 1 στο επίπεδο στο επίπεδο xyxy

00 H

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού Οι πυρήνες σε χαμηλή ενεργειακή στάθμη Οι πυρήνες σε χαμηλή ενεργειακή στάθμη

απορροφούν ενέργεια και μεταπηδούν σε απορροφούν ενέργεια και μεταπηδούν σε υψηλότερηυψηλότερη

Ενώ το εναλλασσόμενο πεδίο λειτουργεί Ενώ το εναλλασσόμενο πεδίο λειτουργεί αρκετή ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί και αρκετή ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί και ανάλογα με το χρόνο παραμονής στην ανάλογα με το χρόνο παραμονής στην υψηλότερη στάθμη ενέργειας οι εξισώσεις υψηλότερη στάθμη ενέργειας οι εξισώσεις ενέργειας εξισώνονται και το φαινόμενο ενέργειας εξισώνονται και το φαινόμενο σταματά σταματά οι πυρήνες επανέρχονται στη οι πυρήνες επανέρχονται στη χαμηλότερη στάθμη και εκπέμπουν σήμα με χαμηλότερη στάθμη και εκπέμπουν σήμα με συχνότητα ωσυχνότητα ω0 0 που ανιχνεύεται από τα πηνία που ανιχνεύεται από τα πηνία που παράγουν το Ηπου παράγουν το Η11

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού Η μαγνήτιση κάθε πρωτονίου και η Η μαγνήτιση κάθε πρωτονίου και η

συνολική μαγνήτιση έχουν 2 συνολική μαγνήτιση έχουν 2 συνιστώσες, εγκάρσια και διαμήκησυνιστώσες, εγκάρσια και διαμήκη

Σε κατάσταση ισορροπίας η συνολική Σε κατάσταση ισορροπίας η συνολική μαγνήτιση έχει μόνο διαμήκη μαγνήτιση έχει μόνο διαμήκη συνιστώσα. Με την εφαρμογή ενός συνιστώσα. Με την εφαρμογή ενός RF RF παλμού στη συχνότητα παλμού στη συχνότητα LarmorLarmor, τα , τα πρωτόνια απορροφούν ενέργεια και πρωτόνια απορροφούν ενέργεια και δεν ευθυγραμμίζονται πλέον με το δεν ευθυγραμμίζονται πλέον με το διάνυσμα του εξωτερικού στατικού διάνυσμα του εξωτερικού στατικού πεδίου πεδίου η συνολική μαγνήτιση η συνολική μαγνήτιση αποκτά εγκάρσια συνιστώσααποκτά εγκάρσια συνιστώσα

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού Μόλις σταματήσει η εφαρμογή του παλμού τα Μόλις σταματήσει η εφαρμογή του παλμού τα

πρωτόνια επανέρχονται στην κατάσταση πρωτόνια επανέρχονται στην κατάσταση ισορροπίας. Η εγκάρσια συνιστώσα της ισορροπίας. Η εγκάρσια συνιστώσα της μαγνήτισης ελαττώνεται μέχρι να μηδενιστεί μαγνήτισης ελαττώνεται μέχρι να μηδενιστεί και η διαμήκης επανέρχεται στην αρχική της και η διαμήκης επανέρχεται στην αρχική της τιμή.τιμή.

Η μετάβαση αυτή δε γίνεται ακαριαία, αλλά Η μετάβαση αυτή δε γίνεται ακαριαία, αλλά απαιτείται χρόνος επαναφοράς της απαιτείται χρόνος επαναφοράς της διαμήκους συνιστώσας που ονομάζεται διαμήκους συνιστώσας που ονομάζεται χρόνος διαμήκους χαλάρωσηςχρόνος διαμήκους χαλάρωσης (χρόνος Τ (χρόνος Τ11))

Η τιμή του ΤΗ τιμή του Τ1 1 εξαρτάται από τον τύπο του εξαρτάται από τον τύπο του ιστού (πχ είναι υψηλή για το εγκεφαλονωτιαίο ιστού (πχ είναι υψηλή για το εγκεφαλονωτιαίο υγρό και χαμηλή για το λίποςυγρό και χαμηλή για το λίπος))

Αποκατάσταση της διαμήκους Αποκατάσταση της διαμήκους συνιστώσαςσυνιστώσας

Διαμήκης μαγνήτιση: Διαμήκης μαγνήτιση: MMzz=M=M00*[1-exp(-t/T*[1-exp(-t/T11)])] TT11: : ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η

μαγνήτιση στο 63% της αρχικής της τιμήςμαγνήτιση στο 63% της αρχικής της τιμής

Βασικές αρχές του πυρηνικού Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμούμαγνητικού συντονισμού

Αφαιρώντας τον Αφαιρώντας τον παλμό, το διάνυσμα παλμό, το διάνυσμα της μαγνήτισης της μαγνήτισης επιστρέφει στον επιστρέφει στον άξονα άξονα z z εκτελώντας εκτελώντας περιστροφική περιστροφική κίνηση με κίνηση με συχνότητα ωσυχνότητα ω0 0 παράγονται Η/Μ παράγονται Η/Μ κύματακύματα

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού

Αντίστοιχα μετά το πέρας του Αντίστοιχα μετά το πέρας του παλμού η εγκάρσια συνιστώσα παλμού η εγκάρσια συνιστώσα εξασθενίζει μέχρι να μηδενιστεί εξασθενίζει μέχρι να μηδενιστεί μετά από χρόνο Τμετά από χρόνο Τ2 2 ((χρόνος χρόνος εγκάρσιας χαλάρωσηςεγκάρσιας χαλάρωσης))

Η τιμή του ΤΗ τιμή του Τ2 2 εξαρτάται από τον εξαρτάται από τον τύπο του ιστούτύπο του ιστού

Μείωση εγκάρσιας μαγνήτισηςΜείωση εγκάρσιας μαγνήτισης

Η εγκάρσια μαγνήτιση μειώνεται εκθετικά και Η εγκάρσια μαγνήτιση μειώνεται εκθετικά και υπολογίζεται από τη σχέση υπολογίζεται από τη σχέση MMxyxy=M=M00*exp(-t/T*exp(-t/T22))

TT22: : χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η εγκάρσια χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η εγκάρσια μαγνήτιση στο 37% της αρχικής της τιμήςμαγνήτιση στο 37% της αρχικής της τιμής

Βασικές αρχές του Βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού πυρηνικού μαγνητικού

συντονισμούσυντονισμού Έπειτα επάγεται ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα Έπειτα επάγεται ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα

((FID) FID) στην συχνότητα στην συχνότητα LarmorLarmor, ανάλογο της , ανάλογο της εγκάρσιας συνιστώσας και αποτελεί το εγκάρσιας συνιστώσας και αποτελεί το μετρήσιμο σήμαμετρήσιμο σήμα

Η ισχύς του σήματος Η ισχύς του σήματος FIDFID εξαρτάται από: εξαρτάται από:– Πυκνότητα πρωτονίωνΠυκνότητα πρωτονίων– Χρόνο ΤΧρόνο Τ11

– Χρόνο ΤΧρόνο Τ22

Η αντίθεση της παραγόμενης εικόνας εξαρτάται Η αντίθεση της παραγόμενης εικόνας εξαρτάται από τους 3 παραπάνω παράγοντες. Στους από τους 3 παραπάνω παράγοντες. Στους μαλακούς ιστούς η πυκνότητα πρωτονίων δε μαλακούς ιστούς η πυκνότητα πρωτονίων δε διαφέρει σημαντικά. Οι 2 χρόνοι όμως διαφέρουν διαφέρει σημαντικά. Οι 2 χρόνοι όμως διαφέρουν σημαντικά από ιστό σε ιστό και καθορίζουν την σημαντικά από ιστό σε ιστό και καθορίζουν την αντίθεση της εικόναςαντίθεση της εικόνας

Απεικόνιση του σήματοςΑπεικόνιση του σήματος

Μεγάλη ένταση Μεγάλη ένταση σήματος σήματος μεγάλη μεγάλη πυκνότητα του πυκνότητα του ιστού σε πρωτόνια ιστού σε πρωτόνια (πχ λίπος)(πχ λίπος)

Μικρή ένταση Μικρή ένταση σήματος σήματος μικρή μικρή πυκνότητα σε πυκνότητα σε πρωτόνια (πχ οστά)πρωτόνια (πχ οστά)

Μαγνητικός Μαγνητικός ΤομογράφοςΤομογράφος

Η λειτουργία του βασίζεται στο ότι η Η λειτουργία του βασίζεται στο ότι η συχνότητα συντονισμού του πυρήνα συχνότητα συντονισμού του πυρήνα ω ω είναι ευθέως ανάλογη της έντασης είναι ευθέως ανάλογη της έντασης ΗΗ0 0

Αν το μαγνητικό πεδίο είναι Αν το μαγνητικό πεδίο είναι ελεγχόμενα μεταβλητό η ελεγχόμενα μεταβλητό η ω ω των των πυρήνων είναι συνάρτηση της θέσης πυρήνων είναι συνάρτηση της θέσης τους σε σχέση με το μαγνήτη τους σε σχέση με το μαγνήτη αυτό αυτό πραγματοποιείται με ειδικά βαθμωτά πραγματοποιείται με ειδικά βαθμωτά πηνία που μεταβάλλουν γραμμικά την πηνία που μεταβάλλουν γραμμικά την ένταση του μαγνητικού πεδίου σε κάθε ένταση του μαγνητικού πεδίου σε κάθε μία από τις κάθετες διευθύνσεις μία από τις κάθετες διευθύνσεις x, y, z.x, y, z.

Δομή Μαγνητικού Δομή Μαγνητικού ΤομογράφουΤομογράφου

1.1. Μαγνήτης:Μαγνήτης: δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο αρχικός προσανατολισμός πυρήνων αρχικός προσανατολισμός πυρήνων

2.2. Συστήματα παραγωγής βαθμωτών Συστήματα παραγωγής βαθμωτών πεδίων:πεδίων: πηνία που δημιουργούν τα βαθμωτά πηνία που δημιουργούν τα βαθμωτά μαγνητικά πεδία στους 3 άξονες για το μαγνητικά πεδία στους 3 άξονες για το σχηματισμό της εικόναςσχηματισμό της εικόνας

3.3. RF RF πομπός-δέκτης:πομπός-δέκτης: πομπός παλμών πομπός παλμών διέγερσης και το σύστημα λήψης των διέγερσης και το σύστημα λήψης των εκπεμπόμενων από τον εξεταζόμενο σημάτωνεκπεμπόμενων από τον εξεταζόμενο σημάτων

4.4. Η/Υ:Η/Υ: ελέγχει τη λειτουργία των τμημάτων ελέγχει τη λειτουργία των τμημάτων του τομογράφου, εκτελεί τους του τομογράφου, εκτελεί τους μετασχηματισμούςμετασχηματισμούς FourierFourier, οργανώνει τις , οργανώνει τις πληροφορίες, τις αποθηκεύει σαν σειρά πληροφορίες, τις αποθηκεύει σαν σειρά αριθμών και τις απεικονίζει σαν εικόνααριθμών και τις απεικονίζει σαν εικόνα

ΜαγνήτηςΜαγνήτης

Το μεγαλύτερο κ Το μεγαλύτερο κ ακριβότερο τμήμα της ακριβότερο τμήμα της διάταξηςδιάταξης

Δύναμη 0.1-3.0 Δύναμη 0.1-3.0 Tesla Tesla ((συγκριτικά το μαγνητικό συγκριτικά το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι 0,5 πεδίο της Γης είναι 0,5 Gauss Gauss 1 Tesla=10000 1 Tesla=10000 Gauss)Gauss)

Οι μαγνήτες πρέπει να Οι μαγνήτες πρέπει να δίνουν ομοιογενές πεδίο δίνουν ομοιογενές πεδίο μεγάλης έντασης μεγάλης έντασης (εξασφαλίζεται με πηνία (εξασφαλίζεται με πηνία ομοιογένειας)ομοιογένειας)

Ανάλογα με την εφαρμογή Ανάλογα με την εφαρμογή χρησιμοποιούνται: μόνιμοι χρησιμοποιούνται: μόνιμοι μαγνήτες για μικρά πεδία, μαγνήτες για μικρά πεδία, αγώγιμοι (0.05-0.4Τ), αγώγιμοι (0.05-0.4Τ), υπεραγώγιμοι (>0.5Τ)υπεραγώγιμοι (>0.5Τ)

Βαθμωτά πηνία Βαθμωτά πηνία ((Gradient coils)Gradient coils)

Τα πηνία βαθμίδας χρησιμοποιούνται για να Τα πηνία βαθμίδας χρησιμοποιούνται για να κωδικοποιήσουν χωρικά τις θέσεις των κωδικοποιήσουν χωρικά τις θέσεις των πρωτονίων. Ανάλογα με την τομή στο σώμα πρωτονίων. Ανάλογα με την τομή στο σώμα που θέλουμε να πάρουμε, εφαρμόζουμε ένα που θέλουμε να πάρουμε, εφαρμόζουμε ένα πεδίο κάθετο σε αυτή πεδίο κάθετο σε αυτή η συχνότητα η συχνότητα Larmor Larmor θα μεταβάλλεται συναρτήσει της θέσης των θα μεταβάλλεται συναρτήσει της θέσης των πρωτονίων στους 3 άξονες.πρωτονίων στους 3 άξονες.

RF RF πηνίαπηνία

Το σύστημα Το σύστημα μετάδοσης μετάδοσης ραδιοκυμάτων ραδιοκυμάτων χρησιμοποιείται ως χρησιμοποιείται ως πομπός των παλμών πομπός των παλμών που διεγείρουν τους που διεγείρουν τους πυρήνες, αλλά και ως πυρήνες, αλλά και ως δέκτης των σημάτων δέκτης των σημάτων που εκπέμπει το που εκπέμπει το εξεταζόμενο σώμαεξεταζόμενο σώμα

Σχηματίζουν έναν Σχηματίζουν έναν κλωβό γύρω από τον κλωβό γύρω από τον εξεταζόμενοεξεταζόμενο

Διαδικασία εξέτασηςΔιαδικασία εξέτασης

1.1. Τοποθετείται ο ασθενής στον Τοποθετείται ο ασθενής στον κύλινδροκύλινδρο

2.2. Ενεργοποιείται ο μαγνήτης και Ενεργοποιείται ο μαγνήτης και εκπέμπονται εκπέμπονται RF RF παλμοίπαλμοί

3.3. Ενεργοποιούνται τα πηνία βαθμίδαςΕνεργοποιούνται τα πηνία βαθμίδας4.4. Περιστρέφονται τα πρωτόνια και Περιστρέφονται τα πρωτόνια και

παράγουν σήματαπαράγουν σήματα5.5. Συλλέγονται τα σήματα και Συλλέγονται τα σήματα και

μετασχηματίζονται στον υπολογιστή μετασχηματίζονται στον υπολογιστή για την παραγωγή εικόναςγια την παραγωγή εικόνας

Πλεονεκτήματα Μαγνητικής Πλεονεκτήματα Μαγνητικής ΤομογραφίαςΤομογραφίας

Δε χρησιμοποιείται ακτινοβολίαΔε χρησιμοποιείται ακτινοβολία Διαχωρίζονται και αποτυπώνονται όλες Διαχωρίζονται και αποτυπώνονται όλες

οι διαφορές των μαλακών μορίων του οι διαφορές των μαλακών μορίων του σώματοςσώματος

Υψηλή διακριτική ικανότητα (1μΥψηλή διακριτική ικανότητα (1μm m x x 11μμm x 1m x 1μμmm))

Έγκαιρος εντοπισμός βιοχημικών Έγκαιρος εντοπισμός βιοχημικών αλλαγών πριν το σχηματισμό του όγκουαλλαγών πριν το σχηματισμό του όγκου

Δυνατότητα χρησιμοποίησης σε όλες Δυνατότητα χρησιμοποίησης σε όλες τις ανατομικές περιοχέςτις ανατομικές περιοχές

Ανώδυνη εξέταση μη επεμβατικού Ανώδυνη εξέταση μη επεμβατικού χαρακτήραχαρακτήρα

Μειονεκτήματα Μαγνητικής Μειονεκτήματα Μαγνητικής ΤομογραφίαςΤομογραφίας

Υψηλό κόστος λειτουργίας και Υψηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησηςσυντήρησης

Υψηλό κόστος εξέτασηςΥψηλό κόστος εξέτασης Μη ευκρινής απεικόνιση οστώνΜη ευκρινής απεικόνιση οστών Δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί από Δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί από

άτομα με βηματοδότη ή άλλα άτομα με βηματοδότη ή άλλα μεταλλικά εμφυτεύματαμεταλλικά εμφυτεύματα

Δεν ενδείκνυται για άτομα με Δεν ενδείκνυται για άτομα με κλειστοφοβίακλειστοφοβία

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

Δ. Κουτσούρης, Κ. Νικήτα Δ. Κουτσούρης, Κ. Νικήτα «Ιατρικά Απεικονιστικά «Ιατρικά Απεικονιστικά Συστήματα»Συστήματα»

http://www.biosim.ntua.gr/GreekShttp://www.biosim.ntua.gr/GreekSite/lessons/chapter1_8ou_imagingite/lessons/chapter1_8ou_imaging.pdf.pdf

http://www.cis.rit.edu/htbooks/mrihttp://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm/inside.htm

http://health.howstuffworks.com/http://health.howstuffworks.com/mri1.htmmri1.htm