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
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
Energia spinów w w polu magnetycznym I=1/2 E ω = γb 0 Pole magnetyczne B 0
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 42.58 10.71 99.985 1.10 400.26 100.68 19 F ½ 40.07 100 376.66 23 Na 3/2 11.26 100 105.84 31 P ½ 17.25 100 162.16 Obrazowanie MR (MRI): Spektroskopia zlokalizowana (MRS): 1H, 1H, 13C, 31P,
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 )
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
Nowoczesny skaner MRI B 0 0.2-11.7T statyczne 1ppm G 40mT/m 20T/s, 5kHz 10% RF B 1 25µT 8-500MHz 10%
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, 1909-1920 (2000)
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
Polypropylen w. krystaliczny (izotaktyczny( izotaktyczny) w. amorficzny (ataktyczny( ataktyczny) T t : 174 ºC C (izotaktyczny( izotaktyczny) T g : -17 ºC 0.855 g/cm 3, f. amorficzna 0.946 g/cm 3, f. krystaliczna
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, 2487-2506 (2000)
Polipropylen izotaktyczny 2D analiza relaksacji (T 1ρ T 2 ) W.P. Węglarz, H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)
Polipropylen 2D analiza relaksacji (T 1 T 2 ) 35 ºC W.P. Węglarz, H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)
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
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
Drewno Celuloza 40-50 % Hemicelulozy 20-35 % Ligniny 15-35 %
Drewno czasy relaksacji 1 H Drewno osiki Udział protonów [%] -OH 27,3 -CH3 10,5 Inne 62,2
Analiza wymiany magnetyzacji drewno osiki Wood A 73 % T 2a = 14 ms Wood B k ab =64 s -1 10 % 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)
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, 484-485 (1997).
Wymiana magnetyzacji poliglicyna - woda H. Peemoeller, M.B. MacMillan, W.P. Weglarz, et. al. Biopolymers, 50(6), 630-640 (1999)
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, 2005-2007, 2007, MC EIF Fellowship WATERMAP
Starch
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
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
Uwadnianie ryżu Amylose Amylose (type A) Amylose (type B) Water Lipids ρ 1.8 1.75 1.5 1.0 0.85 1.2 M. Witek, W.P. Węglarz, et. al., Food Chemistry, 120 (4), (2010), 1031-1040
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
TD NMR (FID CPMG) solid increased water content & mobility (T2) liquid SPI FSE (RARE)
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)
Obrazowanie migracji wody W.P. Węglarz et. al., Food Chemistry, 106 (2008), 1366-1374
Obrazowanie uwadniania instant food 1. uwadnianie kapilarne, 2. nasiąkanie matrycy i pęcznienie
Obrazowanie migracji wody Porównanie struktur 45 Hydration - different structures Hydration time [min] 40 35 30 25 20 15 10 5 90% 50% 10% 0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 Structure
Obrazowanie migracji wody shelf life Zadania: Deweloper produktu: zatrzymać wilgoć w nadzieniu ~3 miesiące Naukowiec: wyjaśnić dlaczego po 4 tygodniach jest źle?
Obrazowanie migracji wody shelf life Metoda pomiaru:spi (niskie uwodnienie,krótki T2) bariera jogurt normalna bariera catastrophic failure nadzienie shell
Obrazowanie migracji wody shelf life 11d 29d 50d 86d nadzienie bariera otoczka zbożowa
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
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] 10 40 100 R [µm] 6 12 20 R 2
Rdzeń kręgowy - główne szlaki nerwowe www.paraplegic-online.com
Pomiar dyfuzji G G t G δ ln A( b) A(0) = b D b = G [ δ ( δ )] 2 1 2 2 γ 3
Rdzeń kręgowy - budowa
Obrazowanie MR dyfuzji anizotropowej 0 360 810 1440 2250 3240 b[s/mm 2 ]
Rdzeń kręgowy dyfuzja ograniczona
z y x Diffusion Tensor D αβ Dxx Dxy Dxz = Dyx Dyy Dyz, Dzx Dzy D zz D = D αβ βα diagonalisation D αβ = λ1 0 0 0 λ 2 0 0 0 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), 278-307 (2007)
Dyfuzja anizotropowa - mózg 1.5T, zdrowy wolontariusz, Centrum Obrazowania Helimed sp. z o.o., Katowice
Traktografia skrzyżowane włóknaw Tensory wyższych rzędów Harmoniki sferyczne Diffusion Spectrum Imaging - DSI L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A (5), 278-307 (2007)
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
Uszkodzenie rdzenia kręgowego 1 mm path #2 0,25 1... 22 DL [10-3 m m 2 /s ] 0,2 0,15 0,1 0,05 0 spinal cord lesion 1 6 11 16 21 Numer ROI 1,00 0,25 ID 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 1 6 11 16 21 DT [10-3 mm 2 /s] 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1 6 11 16 21 Numer ROI Numer ROI A.T. Krzyżak et. al., Acta Neurobiol. Exp. 65, 255-264 (2005) W.P. Weglarz et. al., Appl. Magn. Reson., 15, 333-341 (1998)
Uszkodzenie rdzenia T2 cysta cysta + blizna T2 DT DL 5 mm
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 0,0000 0 1 2 3 4 numer pomiaru 0,0000 0 1 2 3 4 numer pomiaru 0,0024 1 istota biała istota szara 0,0024 3 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 0,0000 0 1 2 3 4 numer pomiaru 0,0000 0 1 2 3 4 numer pomiaru Pomiar kontrolny Uszkodzenie rdzenia
Ograniczanie skutków w urazu
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
Wirtualna histologia Mózg oposa ex-vivo; Prohance; ; 9,4T; 50x50x50 µm 3
Mózg myszy in vivo 9.4 T, kriocewka,, IR-UTE TE 350 µs Rozdzielczość: 120x120 µm Warstwa: : 1 mm
Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie 1986 2011 Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce
Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie 1986 2011 Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce
Obrazowanie MR w Polsce Prof. Andrzej Jasiński ski 1940-2011 1986 first MRI in Poland (MR Microscope) 0.6T permanent magnet, Bruker MSL electronics, CAMAC based control unit
Dziękuj kuję za uwagę