Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym rezonansie jądrowym do badań mikroheterogennych układów złożonych

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym rezonansie jądrowym do badań mikroheterogennych układów złożonych"

Liliana Pawłowska
9 lat temu
Przeglądów:

1 Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym rezonansie jądrowym do badań mikroheterogennych układów złożonych Władysław aw P. WęglarzW Zakład ad Tomografii Magnetyczno - Rezonansowej Instytut Fizyki Jądrowej J PAN im. Henryka Niewodniczańskiego

2 Tematyka Wprowadzenie do stosowanych metod badawczych Magnetyczna Relaksacja Jądrowa (MRJ) Wymiana magnetyzacji (MT) Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (MRI) Dyfuzja anizotropowa (DT MRI) Przykłady wykorzystania do badań mikroheterogennych układ adów w złożonychz onych Polimery syntetyczne (polipropylen) - MRJ Biopolimery (poliprolina, poliglicyna) MRJ, MT Drewno (celuloza) MRJ, MT Materiały żywnościowe (skrobia) - MRJ, MRI Tkanki zwierzęce in vitro i in vivo (tkanka nerwowa) DT MRI

mikroheterogennych układ adów w złożonychz onych Polimery syntetyczne (polipropylen) - MRJ Biopolimery (poliprolina,

3 Energia spinów w w polu magnetycznym I=1/2 E ω = γb 0 Pole magnetyczne B 0

4 Parametry jąder j rezonansowych Jądro J γ[s -1 T -1 ] Naturalna abundancja[%] ω 0 w polu B 0 =9.4T[MHz] Spin 1 H 13 C ½ ½ F ½ Na 3/ P ½ Obrazowanie MR (MRI): Spektroskopia zlokalizowana (MRS): 1H, 1H, 13C, 31P,

26 100.68 19 F ½ 40.07 100 376.66 23 Na 3/2 11.26 100 105.84 31 P ½ 17.

5 Ewolucja magnetyzacji B 0 z M 0 Y T 1 X T 2 1. Impuls RF 90 (wzbudzenie dostarczenie energii) 2. Relaksacja 1. Poprzeczna (spinowo-spinowa T 2, T 2* ) 2. Podłużna (spinowo-sieciowa T 1 w polu B o, T 1ρ w polu B 1 )

6 Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (MRI) Obiekt (próbka) Pole magnetyczne B 0 Pole elektromagnetyczne B 1 Magnetyczny Rezonans Jądrowy (NMR) ω = γb γ 0 Sygnał Transformata Fouriera Widmo Obraz Gradienty pola magnetycznego

1 Magnetyczny Rezonans Jądrowy (NMR) ω = γb γ 0 Sygnał

7 Nowoczesny skaner MRI B T statyczne 1ppm G 40mT/m 20T/s, 5kHz 10% RF B 1 25µT 8-500MHz 10%

8 Analiza 2D czasów w relaksacji program CracSpin r r r r R( τ, a1, t, a2) = A + 0 R1i ( τ, a1) R 2ij( t, a2) ij r a r a 1 2 (..., T1 i,...;..., mi,...) (..., T,...;..., m,...) 2i i W.P. Węglarz, H. Harańczyk, J. Phys. D: Appl. Phys. 33, (2000)

9 Magnetyczna Relaksacja Jądrowa J i Wymiana Magnetyzacji w (bio)polimerach Polimery syntetyczne (polipropylen) Drewno (celuloza) Biopolimery (poliprolina( poliprolina, poliglicyna) Wymiana magnetyzacji na granicy woda-lód Physics Department, Uniwersity of Waterloo Waterloo, Kanada

Biopolimery (poliprolina( poliprolina, poliglicyna) Wymiana

10 Polypropylen w. krystaliczny (izotaktyczny( izotaktyczny) w. amorficzny (ataktyczny( ataktyczny) T t : 174 ºC C (izotaktyczny( izotaktyczny) T g : -17 ºC g/cm 3, f. amorficzna g/cm 3, f. krystaliczna

11 Polipropylen izotaktyczny 2D analiza relaksacji (T 1ρ T 2 ) -75 ºC 35 ºC W.P. Węglarz, H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, (2000)

12 Polipropylen izotaktyczny 2D analiza relaksacji (T 1ρ T 2 ) W.P. Węglarz, H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, (2000)

13 Polipropylen 2D analiza relaksacji (T 1 T 2 ) 35 ºC W.P. Węglarz, H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, (2000)

14 Polipropylen izotaktyczny Skorelowane pomiary (T 1ρ T 2 ) i (T 1 T 2 ) Pierwsze tak dokładne pomiary i analiza Identyfikacja faz krystalicznej i amorficznej Wyznaczenie stopnia krystaliczności ci Przejścia fazowe w fazie amorficznej Przejście z fazy szklistej do plastycznej -15 ºC, 15 ºC, 70 ºC Przejścia w fazie plastycznej Dyfuzja spinowa

stopnia krystaliczności ci Przejścia fazowe w fazie amorficznej Przejście z fazy

15 Analiza wymiany magnetyzacji Program ExFit dmi ( τ ) dτ = ( R + k k +...) m ( τ ) + k m ( τ ) k m ( τ ) +... i ij ip i ij j ip p 0 + λ τ 0 λ τ + λ τ i i i i m ( τ ) = C e + C e + C e

16 Drewno Celuloza % Hemicelulozy % Ligniny %

17 Drewno czasy relaksacji 1 H Drewno osiki Udział protonów [%] -OH 27,3 -CH3 10,5 Inne 62,2

18 Analiza wymiany magnetyzacji drewno osiki Wood A 73 % T 2a = 14 ms Wood B k ab =64 s % T 2b = 28 µs k bc =640 s- 1 H 2 O 17 % T 2c =0.8 ms T 1a = 870 ms T 1b = 29 ms T 1c = 19 ms LATTICE Wood B protony grup -OH dostepnych dla wody D. A. Oleskevich, N. Ghahramany, W. P. Weglarz, H. Peemoeller J. Magn. Reson., B 113, 1 8 (1996)

8 ms T 1a = 870 ms T 1b = 29 ms T 1c = 19 ms LATTICE Wood B protony grup -OH

19 Wymiana magnetyzacji woda - lód PEG/H 2 0 (25/75% w/w) - 25 ºC PEG woda lód k PEG-woda 12 s -1 K woda-lód 1 s -1 M 0 [%] T 1 [ms] Lód 75,6 70 Woda 3,0 10 PEG 21,4 290 W.P.Węglarz, H.Peemoeller, J. Magn. Reson., 124, (1997).

20 Wymiana magnetyzacji poliglicyna - woda H. Peemoeller, M.B. MacMillan, W.P. Weglarz, et. al. Biopolymers, 50(6), (1999)

21 Woda w materiałach ach żywnościowych Gravimetric Time Domain NMR Wyznaczanie zawartości wody i frakcji rozpuszczalnej Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe migracji wody Szybkie uwadnianie instant food Wolne uwadnianie shelf life Unilever Food and Health Research Institute, Dept. of Advanced Measurements and Imaging, Vlaardingen,, Holandia, , 2007, MC EIF Fellowship WATERMAP

22 Starch

23 Time Domain NMR solid increased water content & mobility (T2) liquid S S S L = A exp( ( = S = S S 3 i g ei + S L = S t T A exp( S 2g t T + S 2 ) ) + Aexp( ( 2ei ) LM s + S W = S M t T 2s + S 2 ) ) W ( wt) sin wt

24 Gravimetric TD NMR Model uwadniania I. Sucha masa próbki znana m M = m dry = m 0 m W = m-m 0 = m S S W M m = ρwm = ρ m dry WM MC dry II. Sucha masa próbki nieznana m M = m dry = m 0 -δm 0 m W = m + δm 0 SW * m = ρ WM + δs 0 S m M δm ρ 0 WM = = δs ρ ρ 0 * WM * WM 0 m 0 δs W.P. Węglarz, M. Witek, C. Inoue, J. van Duynhoven, H. Van As, Proc. ISOPOW 10, Jan. 2010, Wiley-Blackwell (2010) 411 0

25 Uwadnianie ryżu Amylose Amylose (type A) Amylose (type B) Water Lipids ρ M. Witek, W.P. Węglarz, et. al., Food Chemistry, 120 (4), (2010),

26 Model uwadniania frakcja rozpuszczalna/plastyczna S S W M = ρ ρ W NS 1 m 1 m S dry m mdry + ρ ρ S NS 1 m 1 m S dry m m S dry W.P. Węglarz, M. Witek, C. Inoue, J. van Duynhoven, H. Van As, Proc. ISOPOW 10, Jan. 2010, Wiley-Blackwell (2010) 411

27 TD NMR (FID CPMG) solid increased water content & mobility (T2) liquid SPI FSE (RARE)

28 Obrazowanie migracji wody instant food Migracja wody H 2 O Sucha próbka Metoda pomiaru: RARE (Fast Spin Echo) Temperatura: 25 C C lub 60 C Rozdzielczość czasowa: ~4 min lub ~2 min Rozdzielczość przestrzenna: ~0.3 mm (3D)

29 Obrazowanie migracji wody W.P. Węglarz et. al., Food Chemistry, 106 (2008),

30 Obrazowanie uwadniania instant food 1. uwadnianie kapilarne, 2. nasiąkanie matrycy i pęcznienie

31 Obrazowanie migracji wody Porównanie struktur 45 Hydration - different structures Hydration time [min] % 50% 10% 0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 Structure

32 Obrazowanie migracji wody shelf life Zadania: Deweloper produktu: zatrzymać wilgoć w nadzieniu ~3 miesiące Naukowiec: wyjaśnić dlaczego po 4 tygodniach jest źle?

33 Obrazowanie migracji wody shelf life Metoda pomiaru:spi (niskie uwodnienie,krótki T2) bariera jogurt normalna bariera catastrophic failure nadzienie shell

34 Obrazowanie migracji wody shelf life 11d 29d 50d 86d nadzienie bariera otoczka zbożowa

35 Obrazowanie dyfuzji anizotropowej w tkankach nerwowych Dyfuzja anizotropowa Dyfuzja ograniczona Tensor dyfuzji Tkanka nerwowa rdzenia kręgowego Zastosowania obrazowanie dyfuzji anizotropowej Traktografia Uszkodzenia rdzenia kręgowego Zakład Tomografii MR IFJ PAN

36 Dyfuzja swobodna i ograniczona R = 2 D H 2 O, 21 o C D = 2x10-3 mm 2 /s czas dyfuzji R średnie przemieszczenie D współczynnik dyfuzji [ms] R [µm] R 2

37 Rdzeń kręgowy - główne szlaki nerwowe

38 Pomiar dyfuzji G G t G δ ln A( b) A(0) = b D b = G [ δ ( δ )] γ 3

39 Rdzeń kręgowy - budowa

40 Obrazowanie MR dyfuzji anizotropowej b[s/mm 2 ]

41 Rdzeń kręgowy dyfuzja ograniczona

42 z y x Diffusion Tensor D αβ Dxx Dxy Dxz = Dyx Dyy Dyz, Dzx Dzy D zz D = D αβ βα diagonalisation D αβ = λ λ λ 3 6 independent components ln A ( b ) 2 = γ A (0) 3 b α β α, β = 1 D α β L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A (5), (2007)

43 Dyfuzja anizotropowa - mózg 1.5T, zdrowy wolontariusz, Centrum Obrazowania Helimed sp. z o.o., Katowice

44 Traktografia skrzyżowane włóknaw Tensory wyższych rzędów Harmoniki sferyczne Diffusion Spectrum Imaging - DSI L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A (5), (2007)

(ekscytotoksyczność) Przemieszczenia elektrolitów Penetracja Ca Spadek aktywności ++ do kom Na + -K + - ATP-azy

45 Uszkodzenie rdzenia Mechanizmy pierwotne wtórne uszkodzenia Obrzęk Niedokrwienie Pobudzające aminokwasy Zniszczenie Niedokrwienie mechaniczne struktury rdzenia (rozerwania, stłuczenia, rozciągni gnięcia) (ekscytotoksyczność) Przemieszczenia elektrolitów Penetracja Ca Spadek aktywności ++ do kom Na + -K + - ATP-azy Zniesienie lipidów bariery krew-mózg zg- rdzeń Nacieki zapalne Krwotoki Penetracja Ca do komórek Wolne rodniki peroksydacja Nacieki zapalne

46 Uszkodzenie rdzenia kręgowego 1 mm path #2 0, DL [10-3 m m 2 /s ] 0,2 0,15 0,1 0,05 0 spinal cord lesion Numer ROI 1,00 0,25 ID 0,80 0,60 0,40 0,20 0, DT [10-3 mm 2 /s] 0,2 0,15 0,1 0, Numer ROI Numer ROI A.T. Krzyżak et. al., Acta Neurobiol. Exp. 65, (2005) W.P. Weglarz et. al., Appl. Magn. Reson., 15, (1998)

47 Uszkodzenie rdzenia T2 cysta cysta + blizna T2 DT DL 5 mm

48 Uszkodzenie rdzenia - DW MRI 1 istota biała istota szara 3 istota biała istota szara 0,0024 0,0024 DL [mm 2 /s] 0,0020 0,0016 0,0012 0,0008 DL [mm 2 /s] 0,0020 0,0016 0,0012 0,0008 0,0004 0,0004 0, numer pomiaru 0, numer pomiaru 0, istota biała istota szara 0, istota biała istota szara 0,0020 0,0020 DT [mm 2 /s] 0,0016 0,0012 DT [mm 2 /s] 0,0016 0,0012 0,0008 0,0008 0,0004 0,0004 0, numer pomiaru 0, numer pomiaru Pomiar kontrolny Uszkodzenie rdzenia

49 Ograniczanie skutków w urazu

50 Tomograf MR z magnesem nadprzewodzącym 9,4T Zalety: -Wysokie pole lepszy SNR -Bogate wyposażenie i oprogramowanie sterujące (kilkanaście głowic pomiarowych; krio-cewka) -Szeroki zakres możliwych do zastosowania technik obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej (1H, 31P, 13C, 19F) Zastosowanie: Badania biomedyczne (modele zwierzęce) Badania materiałowe Instalacja maj 2011

51 Wirtualna histologia Mózg oposa ex-vivo; Prohance; ; 9,4T; 50x50x50 µm 3

52 Mózg myszy in vivo 9.4 T, kriocewka,, IR-UTE TE 350 µs Rozdzielczość: 120x120 µm Warstwa: : 1 mm

53 Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce

54 Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce

55 Obrazowanie MR w Polsce Prof. Andrzej Jasiński ski first MRI in Poland (MR Microscope) 0.6T permanent magnet, Bruker MSL electronics, CAMAC based control unit

56 Dziękuj kuję za uwagę

Podobne dokumenty

Wykorzystanie zjawiska rezonansu magnetycznego w medycynie. Mariusz Grocki

Wykorzystanie zjawiska rezonansu magnetycznego w medycynie. Mariusz Grocki [1] WYŚCIG DO TYTUŁU ODKRYWCY. JĄDRO ATOMU W ZEWNĘTRZNYM POLU MAGNETYCZNYM. Porównanie do pola grawitacyjnego. CZYM JEST ZJAWISKO