Hyperpolarization of 3 He and 129 Xe for Medical Magnetic Resonance Imaging

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Hyperpolarization of 3 He and 129 Xe for Medical Magnetic Resonance Imaging"

Helena Urban
7 lat temu
Przeglądów:

1 Hyperpolarization of 3 He and 129 Xe for Medical Magnetic Resonance Imaging Sympozjum Instytutu Fizyki Doświadczalnej 2016 Tadeusz Pałasz Zakład Optyki Atomowej Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego

2 Hiperpolaryzacja 3 He oraz 129 Xe do medycznego obrazowania magnetycznym rezonansem jądrowym Sympozjum Instytutu Fizyki Doświadczalnej 2016 Tadeusz Pałasz Zakład Optyki Atomowej Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego

3 Motywacja diagnostyka płuc MRJ Co trzeba zrobić? hiperpolaryzacja jądrowa gazu MEOP Kto zabrał 3 He? SEOP czyste polaryzowanie 3 He dlaczego szukamy innych rozwiązań czyli: światło Rb 3 He / 129 Xe

4 COPD Chronic Obstructive Pulmonary Disease Morbus obturativus pulmonum chronicum Przewlekła obturacyjna choroba płuc Zespół chorobowy: postępujące i niecałkowicie odwracalne ograniczenie przepływu powietrza przez drogi oddechowe. zdrowy W Ameryce Północnej (wyniki diagnoz) choroba ta jest czwartą pod względem częstości przyczyną zgonów!!! COPD

5 Koncentracja 1 H jest bardzo niska w objętości płuc. W standardowym obrazowaniu MRJ obszar ten nie daje sygnału! Można go wypełnić na czas badania spolaryzowanym 3 He lub 129 Xe

6 spin 1/2 1 H 3 He 11 B 13 C 14 N 17 O 19 F 31 P 129 Xe

7 M = (n n ) (n + n ) n DE B 0 B=0 n

8 precesja relaksacja sygnał sygnał FID transformata Fouriera czas częstość

9 mała polaryzacja DUŻA POLARYZACJA B B słaby sygnał małe DUŻE pole magnetyczne silny sygnał

10 1 H 3 He 129 Xe MHz / T MHz / T MHz / T 63.9 MHz 48.7 MHz 17.7 MHz W temperaturze ciała polaryzacja jądrowa 1 H jest równa M=4.9 * He M=3.8 * Xe M=1.4 * 10-6 Ciśnienie gazu w płucach jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. 1.5 T sygnał MRJ gęstość polaryzacja

11 SUNY Princeton transport gazu samochodem 100 km Rok 1994

12 MEOP Metastability Exchange Optical Pumping optyczna polaryzacja 3 He wyładowanie plazma 3 He 3 He 3 He laser 1083 nm l/4 s He He 3 He 3 He 3 He 3 He B 0 wyładowanie RF wytwarza plazmę i obsadza metastabilny poziom 2 3 S pompowanie optyczne orientuje spiny elektronów i jąder (sprzężenie nadsubtelne) zderzenia z wymianą metastabilności przenoszą wzbudzenie do kolejnych atomów 3 He

13 3 He 3 He 3 He 3 He 3 He He He * 3 * He +

14 Polaryzator MEOP zbudowany w IF UJ niskie ciśnienie gazu 2 mbar pole magnetyczne 3 mt polaryzacja 3 He do 40 % wydajność 4 scc/min Optica Applicata 42, 223 (2012) 10 W laser

15 B = 89 mt RADIAL 128 sampl. / 100 views Flash, FOV 80mm 128*128

czas polaryzowania: 5 min dla szczura 60 min dla człowieka podróż do szpitala kompresor perystaltyczny współczynnik kompresji 500 Polaryzator, kompresor i

16 czas polaryzowania: 5 min dla szczura 60 min dla człowieka podróż do szpitala kompresor perystaltyczny współczynnik kompresji 500 Polaryzator, kompresor i komórka są umieszczone w jednorodnym polu magnetycznym. JGU Mainz pudło transportowe zapewniające jednorodne pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy stałe

17 Skaner MRI SIEMENS Sonata 1,5 T w krakowskim szpitalu im. Jana Pawła II 3 He przetransportowany do szpitala Cewka RF ( bird-cage ) dla 3 He (RAPID Biomedical) Skan płuc człowieka wypełnionych 3 He Był to pierwszy taki obraz w Polsce! (Flash, 64*64, FOV 400 mm)

18 Polaryzowanie 3 He pod większym ciśnieniem M M 3 He pressure Eur. Phys. J. Special Topics 144, 67 (2007) Eur. Phys. J. Special Topics 144, 255 (2007)

19 Systematyczne badania zajęły nam kilka lat (współpraca z LKB ENS) Optyczny pomiar polaryzacji jądrowej: wysoka dokładność dobry stosunek sygnał/szum nie wymaga kalibracji Kinetyka: t b, t b (t), T 1, M(t), M stat, R

20 Systematyczne badania 3 He MEOP w różnych magnesach MAGNEX 0-2 T IF UJ BRUKER 4,7 T IFJ PAN

21 Wyładowanie RF w helu niskie ciśnienie 3 He plazma jest jednorodna formowanie kształtu wiązki laserowej podwyższone ciśnienie 3 He plazma jest bliżej elektrod Eur. Phys. J. Appl. Phys. 54, (2011) Europhysics News Highlights, Vol. 42, No. 3 (2011)

22 10 W 1083 nm fibre laser air całkowita objętość komórek MEOP to 1300 cm 3

23 Kompresor perystaltyczny i komórka do akumulacji spolaryzowanego gazu

24 Wydajność naszego polaryzatora 15 M 30 % porcja 0,6 litra 3 He / 40 min Termicznie spolaryzowany 3 He (1,5 T) M 0,0004 % p*v 330 scc Hiperspolaryzowany 3 He M 35 % p*v 79 scc FID FT FID FT

25 Nasz polaryzator wewnątrz skanera 1,5 T 272 cm 3 of 3 He M 21% FLASH 128 x 128, FOV 380 mm, warstwa 200 mm J. of Appl. Phys. 113, (2013)

26 Wnętrze prelegenta wypełnione 3 He grubości warstw 50 mm Multi-slice FLASH 128 x128 FOV=380 mm 285 cm 3 of 3 He, polaryzacja 32% (t E = 3.7 ms, t R = 24 ms, kąt 8.6 )

27 grubości warstw 50 mm Multi-slice FLASH 64 x64 FOV 380 mm 161 cm 3 of 3 He polaryzacja 32% t E = 3.7 ms, t R = 24 ms kąt 12.2

28 Kryzys helowy cena 1 litra helu ~ 3000 $

29 SEOP Spin Exchange Optical Pumping optyczna polaryzacja 129 Xe (a także 3 He) światło z lasera D 1 Rb 795 nm N 2 Rb 129 Xe 4 He l/4 s + B 0 Pompowanie optyczne atomów metalu alkalicznego (np. rubidu). Zderzeniowy przekaz polaryzacji pomiędzy atomami Rb i jądrami 129 Xe. Czyszczenie spolaryzowanego 129 Xe (z par rubidu i gazów buforowych).

30 Pompowanie optyczne rubidu 87 na linii D 1 światłem IR l = 795nm. Dodanie gazów buforowych (He, N 2 ) zwiększa efektywność pompowania. s+ N 2 s+ dla Dm = +1 Przejścia optyczne: s- dla Dm = -1 p dla Dm = 0 "Gas Phase NMR" (Chapter 10), RSC 2016

31 Przekaz spinu w zderzeniach N 2 Rb 129 Xe Rb 3 He 129 X e Rb Rb 3 He N 2 zderzenie trójciałowe molekuła van der Waalsa zderzenie binarne

32 W typowym polaryzatorze SEOP B ~ 2 mt fotony 795 nm o energii 1,56 ev efekt Zeemana w Rb Polaryzacja jądrowa ksenonu: różnica energii wynosi tylko 0, ev

33 129 Xe + Rb + N He < 1.5 bar Rb w temperaturze C 129 Xe : 129, 130, Xe > 86% Xe : N 2 : 4 He = 2% : 20% : 78%

34 Jaki laser nadaje się do SEOP? C N 2 (20%) + 4 He (80%) DILAS VBG 2 x LD array DUO FAP Lasery emitują światło o mocy 60 W / 30 W DILAS VBG

36 129 Xe anestetyk 2,8 krotnie mniejszy SNR niż dla 3 He krótki czas relaksacji (ok. godziny przy ciśnieniu 1 bar) Przesunięcie chemiczne we krwi ~ 200 ppm umożliwia badanie NMR: grubości ścianek pęcherzyków płucnych czasu dyfuzji w naczyniach włoskowatych czasu transportu krwi w regionie wymiany gazowej relatywnie niska cena, dostępność łatwe kriogeniczne zamrażanie w temp. ciekłego azotu

Nikiel-Osuchowska, M. Suchanek, K. Suchanek, K. Cieślar Współpraca Krakowski Szpital Specjalistyczny im.

37 Grupa Optycznej Polaryzacji Gazów T. Dohnalik, Z. Olejniczak, T. Pałasz, B. Głowacz Absolwenci W. Wojna-Pelczar, G. Collier, A. Nikiel-Osuchowska, M. Suchanek, K. Suchanek, K. Cieślar Współpraca Krakowski Szpital Specjalistyczny im. J.P. II, TransCom International Laboratoire Kastler Brossel ENS, Instytut Fizyki Jądrowej PAN

Podobne dokumenty

Obrazowanie MR przy użyciu spolaryzowanego 3 He jak chcemy badać szczurze płuca w Krakowie

FAMO Obrazowanie MR przy użyciu spolaryzowanego 3 He jak chcemy badać szczurze płuca w Krakowie Katarzyna Cieślar, Tomasz Dohnalik Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński