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
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
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
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
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
spin 1/2 1 H 3 He 11 B 13 C 14 N 17 O 19 F 31 P 129 Xe
M = (n n ) (n + n ) n DE B 0 B=0 n
precesja relaksacja sygnał sygnał FID transformata Fouriera czas częstość
mała polaryzacja DUŻA POLARYZACJA B B słaby sygnał małe DUŻE pole magnetyczne silny sygnał
1 H 3 He 129 Xe 42.58 MHz / T 32.43 MHz / T 11.78 MHz / T 63.9 MHz 48.7 MHz 17.7 MHz W temperaturze ciała polaryzacja jądrowa 1 H jest równa M=4.9 * 10-6 3 He M=3.8 * 10-6 129 Xe M=1.4 * 10-6 Ciśnienie gazu w płucach jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. 1.5 T sygnał MRJ gęstość polaryzacja
SUNY Princeton transport gazu samochodem 100 km Rok 1994
MEOP Metastability Exchange Optical Pumping optyczna polaryzacja 3 He wyładowanie plazma 3 He 3 He 3 He laser 1083 nm l/4 s + 3 3 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
3 He 3 He 3 He 3 He 3 He 3 3 + He He * 3 * He +
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
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 komórka są umieszczone w jednorodnym polu magnetycznym. JGU Mainz pudło transportowe zapewniające jednorodne pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy stałe
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)
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)
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
Systematyczne badania 3 He MEOP w różnych magnesach MAGNEX 0-2 T IF UJ BRUKER 4,7 T IFJ PAN
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, 20802 (2011) Europhysics News Highlights, Vol. 42, No. 3 (2011)
10 W 1083 nm fibre laser air całkowita objętość komórek MEOP to 1300 cm 3
Kompresor perystaltyczny i komórka do akumulacji spolaryzowanego gazu
Wydajność naszego polaryzatora 15 scc/min @ 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
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, 204905 (2013)
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 )
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
Kryzys helowy cena 1 litra helu ~ 3000 $
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).
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
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
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 0,0000000001 ev
129 Xe + Rb + N 2 + 4 He < 1.5 bar Rb w temperaturze 120 140 C 129 Xe : 129, 130, Xe > 86% Xe : N 2 : 4 He = 2% : 20% : 78%
Jaki laser nadaje się do SEOP? Rb @ 90-140 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
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
Grupa Optycznej Polaryzacji Gazów T. Dohnalik, Z. Olejniczak, T. Pałasz, B. Głowacz http://chaos.if.uj.edu.pl/~ksenon/ 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