Nukleární magnetická rezonance Biofyzika Co to je?  Nukleární – týká se jader atomů (NEPOUŽÍVÁ IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ!!!)  Magnetická – využívá magnetických vlastností atomových jader a ke své činnosti potřebuje silné homogenní magnetické pole  Rezonance – jádra jsou vybuzena určitým RF (radiofrekvenčním) signálem, který má rezonanční frekvenci jader K čemu se to používá?  Zobrazení vnitřních orgánů v těle  Detekuje koncentraci vodíkových jader (vodík -> voda) => orgány s velkou koncentrací vody lze dobře zobrazit, nelze použít na kosti (obsahují minimum vody)  Magnetické vlastnosti jader jsou závislé i na chemických vazbách, lze tedy využít pro funkční vyšetření  Funkční magnetická rezonance – vyšetření pochodů v mozku při zpracování informace  Vyšetření s pomocí kontrastních látek (gadolinium)  Kontraindikace  Kardiostimulátory (především vyrobeny před rokem 2000), ale existují i MRI kompatibilní  Kovová tělesa z feromagnetického materiálu  První trimestr těhotenství  Ušní implantáty, naslouchadla  Velká tetování ve vyšetřovaných oblastech  klaustrofobie Použité záření Princip jevu magnetické rezonance  Atomová jádra rotují (jádra vodíku) -> generují magnetické pole (směr vektoru magnetického momentu se řídí pravidlem pravé ruky)  Orientace vektorů magnetizace bez vnějšího magnetického pole je náhodná – výsledný moment je nulový Rotující jádra v homogením magnetickém poli B0  Umístěním do homogenního magnetického pole B0 dojde k orientaci jednotlivých magnetických dipólů ve směru magnetického pole (paralelně a antiparalelně) Magnetické pole B0 Celkový vektor magnetizace – vektorový součet jednotlivých složek (jader) Precesní pohyb  Vytvoříme „nenormální podmínky“:  Umístíme atomová jádra (tkáň) do vnějšího homogenního magnetického pole, natočí se magnetické momenty do směru pole. Díky vlastní rotaci však bude proton vykonávat precesní pohyb.  Úhel sevřený mezi vektorem magnetické indukce B0 a vychýleným magnetickým momentem  bude konstantní.  Proton rotuje úhlovou rychlostí 0 – Larmorova frekvence (ta je lineárně závislá na B0). Larmorova frekvence  Dvě energetické hladiny  Přechod protonu na vyšší energet. hladinu je možný dodáním potřebného kvanta energie (elektromagnetický puls o Larmorově frekvenci).  Přechod na nižší energetickou hladinu je spojený s emisí kvanta – ta může být spontánní (vysoce pravděpodobné v oblasti viditelného světla) nebo vynucená (RF pulsem). 00 2 Bf    Gyromagnetický poměr Dva energetické stavy protonu Proton si lze představit jako magnet. dipól , který může ve vnějším poli zaujmout dva stavy: Nízkoenergetický a vysokoenergetický Proton může mezi těmito stavy přecházet – absorpcí kvanta energie (fotonu) s Larmorovou frekvencí (nebo jeho emitací). Obsazení energetických hladin  Obsazení různých energetických hladin se řídí Boltzmannovým zákonem: kde N+ je počet protonů na nižší energetické úrovni a N- na vyšší. T je teplota a k Boltzmannova konstanta (1,38.10-23 J.K-1) Pro teplotu blízkou absolutní nule je poměr na levé straně velký – v hmotě převažují protony na nižší energetické úrovni. S rostoucí teplotou roste i počet N- (díky tepelnému pohybu). Při pokojové teplotě, velikost vnějšího magn. pole 0,15 T je poměr pro vodíkové jádro asi 1,000001. (pouze jeden proton je na vyšší energetické úrovni na 1 milión protonů na nižší energetické hladině) kTE e N N /    Biologické zastoupení prvku Relaxace T1  https://www.youtube.com/watch?v=lKp67IqQjH4  Při dané konstantní teplotě T a indukci vnějšího magnetického pole B0 je výsledný magnetický moment M0 orientován ve směru B0.  Platí M0=Mz, tedy Mx a My = 0.  Aplikací radiofrekvenčního signálu o Larmorově frekvenci lze vybudit protony na vyšší energetickou hladinu a změnit výsledný vektor magnetizace tak, že složka Mz=0.  Po ukončení tohoto pulsu nastává doba relaxace, kdy se vektor magnetizace vrací do rovnovážné polohy. Tento proces lze popsat vztahem:  Tato relaxace nastává, protože pohybující (termální pohyb) se molekuly vytvářejí fluktující magnetické pole, tzv. magnetický šum. )e-1(MM 1-t/T 0z  Relaxace T1 RF impuls, který změní orientaci Mz tak, že Mz=0, označujeme jako 90° RF impuls. 180° RF impuls změní orientaci o Mz do opačného směru. Pak opět nastává relaxace, kdy se vektor magnetizace vrací do původního směru. Relaxace T2  https://www.youtube.com/watch?v=is8TscwFOvM  Aplikací 90° RF pulsu sice dojde k vynulování složky Mz, avšak vektor magnetizace M0 se natočí do roviny x,y (záleží na směru vektoru RF impulsu B1 - například do směru kladné osy y). Na konci RF pulsu jsou elementární magnetické dipólové momenty sfázovány.  Po ukončení RF pulsu je vektor magnetizace orientován ve směru osy y. Vlivem spin-spinových (vzájemné působení magnetických polí atomových jader a jejich spinů ) interakcí mezi jádry a vlivem nehomogenního magn. pole dojde k postupné ztrátě fázové koherence jader. Relaxace T2  Současně se uplatňuje T1 proces a narůstá složka magnetizace Mz ve směru osy z za současného zmenšování složky Mxy.  Doba T2 je kromě spin-spinových interakcí dána také nehomogenitou vnějšího magnet. pole. Platí:  Platí T*2< T2 musí se porovnávat teplotní symetrie  Není možné využít jako screeningovou metodu pro zhoubné bujení (např. rakovina prsu) – nízká specificita. Klinické využití termografie  Onemocnění periferních cév  Nemoci štítné žlázy  Nemoci lymfatického systému  Záněty kloubů  Vymezení spálenin a omrzlin  Hodnocení krevního zásobení po rekonstrukční plastické chirurgii, atd. Klinický přístroj Termokamery FLIR Ukázky termogramů Průmyslové využití