aplikovaná optika III
NMR (Nuclear Magnetic Resonance)
MRI (Magnetic Resonance Imaging)
NMR (Nuclear Magnetic Resonance)
MRI (Magnetic Resonance Imaging)
vznik magnetického pole je svázán s (elektrickým) proudem – tedy pohybujícími se náboji
jev citlivý na atomární složení (dokonce izotopové) zkoumané látky
s magnetickými jevy se setkáváme běžně (zemské magnetické pole, permanentní magnety, elektromagnety),
jejich exaktní popis však není vůbec jednoduchý.
Jednou ze základních odlišností od elektrického pole (se kterým je pole magnetické ovšem úzce spjato),
je neexistence volných magnetických nábojů (kladných, záporných,...) ale jejich výskyt vždy ve formě dipólu
ačkoliv magnetické siločáry
vypadají podobně, nelze
magnet rozdělit na dva
oddělené náboje
d
I
B
π
µ
2
0
=
r
Směr magnetického pole určuje pravidlo pravé ruky
R
I
B
2
0µ
=
r
L
IN
B 0µ
=
r
aplikovaná optika III
NMR
EPR (elektronová paramagnetická rezonance)
různé jevy magnetické rezonance vznikají jednotlivými typy pohybu konkrétních částí atomu:
elektrony se pohybují v atomovém obalu kolem jádra
elektron sám se chová jakoby se otáčel kolem vlastní osy
protony a neutrony se rovněž chovají, jakoby se otáčely kolem vlastní osy
velikost magnetického momentu smyčky
(vektor kolmý na rovinu smyčky)
protože nemůžeme popisovat jednotlivé magnetické 'náboje', popisujeme zdroje magnetického pole
jako celek pomocí veličiny magnetický moment:
magnetické momenty jádra jsou o tři řády slabší než elektronové, ale metoda není vhodná pro pozorování tkání
(vyšší frekvecne pohlcovaného záření, nepřítomnost stínícího efektu,…)
V atomu momenty spojené s prostorovým pohybem elektrických nábojů označujeme jako orbitální
a momenty spojené s vnitřními vlastnostmi elementárních částic jako spinové.
Celkový moment atomu se skládá vektorově, takže se jednotlivé příspěvky mohou i vyrušit.
Soustavy, které mají celkový moment vyvážený se magneticky rezonančně neprojevují.
2
rIπµ =
velikost magnetického momentu spinového
(rovněž vektorová veličina)
m
eh
π
µ
2
=
aplikovaná optika III
MRI chování fermionů v magnetickém poli
průmět spinu elelektronu, protonu i neutronu může nabývat jen dvou hodnot,
energeticky se tyto dva stavy bez přítomnosti magnetického pole neliší, a
po přiložení magnetického pole se momenty mají
tendenci orientovat v jeho směru, ale kvantová
povaha látek jim to neumožňuje zcela. Výsledkem je,
že se natočí částečně a začnou vykonávat precesní pohyb
frekvence precesního pohybu (Larmorova frekvence)
orientace momentů jsou rovněž nahodilé.
Přidáním dalšího magnetického pole, časově závislého s Larmorovou frekvencí se momenty
postupně synchronizují svou precesí s tímto polem
Výsledkem tohoto konání je statisticky velmi nepravděpodobný stav:
všechny momenty precedují kolem stejného směru a jsou při tom ve fázi.
Po vypnutí magnetických polí zkoumaný vzorek relaxuje do přirozeného stavu a přitom
vyzařuje přebytečnou energii (formou elmag záření o Larmorově frekvenci).
m
eB
h
B
f B
π
µ
2
==
(jádra s celkovým momentem větším mají možnost zaujmout vetší počet poloh, ale stále ne libovolné – precese zůstává)
Larmorovy frekvence: 28 GHz/T, proton (= vodíkový atom) 42,7 MHZ/T
aplikovaná optika III
MRI relaxační procesy
parametry medicínských zařízení
studované izotopy: 1H, druhý nejcitlivější izotop, chemické stínění slbší, ale ostré píky. Výhradně používán v MRI
3He, 13C (značení), …
Voxel řádu 1mm x 1mm x 1mm, jeho velikost v podstatě závisí jen na kvalitě gradientního pole
Oproti CT obvykle lepší rozlišení a detaily, vyskytuje se ale větší množství nežádoucích artefaktů
energie z uvolňovaných precesí se teoreticky vyzařuje s larmorovou frekvencí.
Délka relaxace ale závisí podstatně na materiálu, který vyzařující jádra obklopuje
chemické stínění
informace z velké části těla by byla zcela nepřínosná, proto je potřeba omezit studovaný vzorek
na malý objem – aplikuje se třetí magnetické pole, které způsobí, že Larmorova frekvence je
rezonanční jen v malém objemu. Okolí tohoto objemu potom určuje chemické stínění.
homogenní pole vytvářejí cívky se supravodivými magnety (chlazené tekutým heliem), jednotky Tesla
(magnetické pole země je 20 μT)
Navýšení získané informace je možné dosáhnout značením
Doba skenu závislá na velikosti snímané části těla, řádově minuty.
V tělě nesmí být přítomny absorbující materiály (kovy)
Nerozeznává typy tkání, spíše tkáně s různým podílem vodíku zobrazuje různě kontrastně. Interpetaci provádí lékař.
aplikovaná optika III