Nowoczesne techniki obrazowania w medycynie Jakub Zieliński Zakład Biofizyki i Fizjologii Człowieka WUM
Dipol magnetyczny Cząstka lub układ cząstek (np. elektron, proton, jądro atomowe) posiadająca niezerowy ładunek oraz niezerowy moment pędu (spin) zachowuje się jak niewielki magnes (dipol magnetyczny) Jądra atomowe istotne dla rezonansu magnetycznego w biologii i medycynie Jądro Spin 1H ½ 13C 1 14N 1 17O 5/2 19F 1/2 31P 1/2
Energia dipoli magnetycznych w polu magnetycznym Populacja o E B 0 niskiej energii Różnica energii = 2 B 0 Jednorodne pole magnetyczne B 0 (powoduje namagnesowanie próbki) Populacja o wysokiej energii Przeskok pomiędzy poziomami odpowiada emisji/absorpcji fali elektromagnetycznej o częstotliwości: n = 2 B 0 /h W temperaturze pokojowej i polu rzędu 1 T, względna różnica obsadzeń wynosi: 2*10-6. Tylko od tych nadmiarowych atomów rejestrujemy sygnał. Dlatego ważne jest aby pole magnetyczne było jak największe. Obecnie w tomografach MRI jest ono rzędu 1T. 1 T = 10 4 Gs. Pole magnetyczne Ziemi na powierzchni wynosi średnio 0,4 Gs
Precesja Larmora Jądro atomowe o niezerowym spinie, umieszczone w polu magnetycznym obraca się wokół osi równoległej do linii pola. Ruch ten nazywa się precesją Larmora. precesja moment magnetyczny jądra jądro wodoru Częstotliwość precesji Larmora jest identyczna z częstotliwością rezonansową fali powodującą przeskoki pomiędzy poziomami energetycznymi. Zjawisko to nazywa się rezonansem magnetycznym Tak zwany współczynnik żyromagnetyczny dla jąder wodoru wynosi 42,57 MHz/T
Efekt rezonansu Fale elektromagnetyczne stosowane w MRI mają kilka metrów długości. Dlatego powodują spójny (zgodny w fazie) obrót dipoli w obrazowanym obszarze Kierunek wzdłuż pola (longitudinal) flip angle flip angle = kąt odchylenia magnetyzacji flip angle=90 o Płaszczyzna prostopadła do pola (transverse plane) Fala elektromagnetyczna o rezonansowej częstotliwości powoduje zgodny w fazie obrót spinów jąder. Zmienia się więc magnetyzacja próbki (tutaj: fragmentu ciała pacjenta). Kąt odchylenia magnetyzacji zależy od natężenia i długości impulsu. Mówimy np. o impulsach p/2 lub 90 o.
Znaczenie spójności Poprzeczne namagnesowanie uzyskujemy dzięki temu, że poszczególne spiny odchylają się w tą samą stronę mają identyczną składową poziomą Spiny o różnych fazach Spiny ustawione w fazie Odchylone od linii pola spiny wykonują precesję z częstością Larmora. Jak wiadomo, zmienne pole magnetyczne Obracające się spiny są więc źródłem fali elektromagnetycznej o tej samej częstotliwości co impuls powodujący magnetyzację. Dzieje się tak jedynie gdy spiny są ustawione zgodnie w fazie.
Powrót do namagnesowania wzdłuż linii pola. Czas relaksacji T1 namagnesowanie wzdłuż linii pola Jądro atomowe oddaje energię otaczającym je cząstkom (sieci). Oddziaływanie spin - sieć T1 czas 63% = 100% - 37%. Czyli za czas relaksacji uznajemy moment gdy pozostało jeszcze 37% magnetyzacji do odzyskania. 0,37 = 1/e
Błądzenie przypadkowe. Dyfuzja. Rozkład normalny (Gaussa) Mężczyzna próbuje zrobić krok do przodu. Szansę ma równą 50%
Kolejne kroki 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0 0 1 2 3 0 0 1 2 3 4 0 0 1 2 3 4 5
Rozmycie fazy spinów na skutek jej dyfuzji Spiny zgodne w fazie utrata fazy Po dużej liczbie niewielkich, losowych zaburzeń otrzymujemy dobre przybliżenie rozkładu normalnego (Gaussa)
Zanik namagnesowania prostopadłego do linii pola. Czas relaksacji T2 namagnesowanie prostopadłe do linii pola T2 czas Jądro atomowe oddziałuje z sąsiednimi jądrami. Oddziaływanie spin spin. Proces ten powoduje dyfuzję fazy. Powoduje to zanik sygnału (FID Free Induction Decay)
Zanik namagnesowania prostopadłego do linii pola. Czas relaksacji T2 Poprzeczne namagnesowanie zanika również na skutek powrotu czy też odżycia (recovery) namagnesowania wzdłuż linii pola. Dlatego czas relaksacji T2 nigdy nie jest dłuższy niż czas relaksacji T1 1.0 Mi 0.8 0.6 Na rysunku obok wartości przykładowe 0.4 0.2 M L, M T Czasy te są dość długie, co wpływa na całkowity czas badania 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 t [ ms ]
Czasy relaksacji dla tkanek Tkanka T1 [ms] T2 [ms] Woda 4500 4500 Tłuszcz 245 70 Krew (nieutlenowana) 1350 50 Krew (utlenowana) 1350 200 Płyn rdzeniowo-mózgowy 4300 2200 Istota szara 920 100 Istota biała 780 90 Mięśnie 880 50 Spore różnice występują również pomiędzy tkankami zdrowymi, a np. nowotworowymi
Pomiar gęstości protonów (PD) impuls 90 o impuls 90 o impuls 90 o Duża ale zbliżona ilość protonów w mięśniach, tłuszczu, płynie r-m, tkance nerwowej, wątrobie itp. echo echo Niewielka w kościach, płucach, powietrzu Czas TE krótki (aby zmniejszyć wpływ dyfuzji fazy). Niestety czas TR musi być długi (kilka sekund!) - aby zmniejszyć wpływ rozmagnesowania przez poprzednie impulsy. Wadą są również małe różnice pomiędzy tkankami. Rzadko używane
Lokalizacja przestrzenna Do jednorodnego pola dodajemy niewielki gradient. Różne plastry różnią się częstotliwością rezonansową
fmri W badaniu, wykorzystuje się różnicę w czasie T2 dla oxy i deoxy hemoglobiny. Obraz 1. Badany jest proszony o zapamiętanie twarzy. Aktywny jest ośrodek wzroku z tyłu głowy oraz fragment płata czołowego. Obraz 2. Badany jest proszony o myślenie o zapamiętanej twarzy. Aktywacja hipokampa. Obrazy 3 i 4. Badany jest proszony o porównanie innej twarzy z zapamiętaną. Ponowna aktywacja niektórych obszarów ośrodka wzroku. Fragmenty płata czołowego są odpowiedzialne za podjęcie decyzji
Badania izotopowe (medycyna nuklearna) Pacjent otrzymuje substancję znakowaną izotopowo. Obserwujemy emitowane promieniowanie. Na tej podstawie określamy rozkład stężenia podanej substancji Podany izotop nie może być nadmiernie toksyczny przed i po rozpadzie Dobrze jeśli selektywnie gromadzi się np. w zmienionych chorobowo tkankach Czas połowicznego rozpadu musi być rozsądny rzędu godzin Emitowane promieniowanie musi być wystarczająco przenikliwe aby nie było pochłonięte w całości przez pacjenta
Klasyczna scyntygrafia oraz SPECT (Single Photon Emission Tomography) Podany izotop jest źródłem promieniowania gamma, które jest rejestrowane za pomocą tzw. gammakamery. Konieczność stosowania detektorów kierunkowych detektory kolimatory pacjent kwanty gamma izotop
Detektor kierunkowy (zawiera kolimator) Ze względu na rozdzielczość przestrzenną, detektory kierunkowe powinny być umieszczone blisko pacjenta
Metastabilny izomer izotopu technetu 99m Tc b- g b- 99 Mo 99m Tc 99 Tc 99 Ru 6 godzin 200 tys. Lat ---------- Wydalanie kilka dni Izomer 99mTc można: łatwo otrzymać w laboratorium ma optymalny czas połowicznego rozpadu emituje jedynie przenikliwe promieniowanie gamma (a więc mało obciąża pacjenta) jego produkt rozpadu jest niemal stabilny i szybko usuwany z organizmu Technet, przewidziany przez Mendelejewa, został otrzymany sztucznie stąd nazwa. Technet nie wpływa praktycznie na funkcjonowanie organizmu. Może być łączony z różnymi substancjami, zmieniającymi jego kumulację w ciele.
Scyntygrafia kości Pacjent otrzymuje związek bifosfonianu z 99m Tc. Bifosfoniany, wykazują duże powinowactwo do wapnia, dlatego gromadzą się w obszarach kości podlegających intensywnej przebudowie. Scyntygrafia kości pozwala wykrywać: guzy pierwotne i przerzuty do kości złamania stany zapalne kości
Paliatywna terapia nowotworów kości (pierwotnych i przerzutów) Pacjent otrzymuje Stront (Sr) 89 lub Samar (Sm) 135. Oba pierwiastki zachowują się w organizmie podobnie do wapnia. Gromadzą się więc w miejscach intensywnej przebudowy kości. Oba izotopy emitują promieniowanie beta pochłaniane przez tkanki. Promieniowanie oddziałuje więc lokalnie. Dodatkowo 135 Sm emituje promieniowanie gamma nie ma ono w zasadzie działania terapeutycznego, ale pozwala na lokalizację zmian.
Scyntygrafia tarczycy Pacjent otrzymuje 99m Tc lub jod 123 I (rzadko) albo jod 131 I (zazwyczaj). Okres połowicznego rozpadu 123 I wynosi nieco ponad 13 godzin. Emituje niemal wyłącznie promieniowane gamma. Niestety jego do jego otrzymania niezbędny jest cyklotron. Okres rozpadu 131 I wynosi 8 dni. Emitowane jest promieniowanie beta i gamma. Izotop ten jest łatwiejszy w otrzymaniu i użyciu dlatego jest powszechnie stosowany do diagnostyki mimo, że promieniowanie beta obciąża pacjenta. Jest używany do terapii nadczynności i nowotworów tarczycy. Izotop ten był głównym źródłem skażenia po awariach elektrowni w Czarnobylu i Fukushimie.
Scyntygrafia tarczycy 99m Tc. Zimne i gorące zmiany Zimne zmiany onkologiczne, gorące aktywne hormonalnie
Choroba Gravesa-Basedowa W nadczynności tarczycy zwiększony jest wychwyt jodu przed tarczycę
Scyntygrafia receptorowa i terapia celowana dla NET Pacjent otrzymuje analogi somatostatyny (np. Oktreotyd) znakowane 99m Tc lub 111 In (diagnostyka) albo 90 Y lub 177 Lu (terapia). Guzy neuroendokrynne (neuroendocrine tumors, NET) grupa nowotworów wywodzących się z komórek endokrynnych.
Badanie perfuzji mięśnia serca Pacjent otrzymuje ( 99m Tc) sestamibi (MIBI) lub ( 99m Tc) tetrofosmin. Można też użyć talu 201 udaje potas, niestety jest toksyczny
PET rozpad b + p + n n Dzięki niemal jednoczesnej detekcji dwóch fotonów g, nie trzeba korzystać z detektorów kierunkowych e + e anihilacja pozytonu i elektronu Izotopy wykorzystywane w badaniu PET (+ czasy połowicznego rozpadu): 18 F (110 min), 13 N (10 min), 15 O (122 s), 11 C (20 min)
Fluorodeoksyglukoza ( 18 F-FDG) Najważniejsza substancja stosowana w badaniu PET. Fluorodeoksyglukoza jest absorbowana przez tkanki o intensywnym metabolizmie glukozy: nowotworowe, mózg, serce, nerki. Na skutek fosforylacji, nie jest jednak metabolizowana. Dlatego gromadzi się w tkankach silnie absorbujących glukozę. Metabolizowana jest dopiero po rozpadzie b+. Około 20% jest wydalanie w postaci niezmienionej przez nerki. Fluorodeoksyglukozę podaje się około 1,5 godziny przed badaniem.
SPECT vs PET
SPECT mózgu Pacjent otrzymuje exametazim (HMPAO) znakowany 99m Tc. Badanie rejestruje perfuzję krwi w mózgu. HMPAO (hexamethylpropyleneamine oxime) przechodzi do krążenia mózgowego w czasie poniżej minuty. Pozwala to badać przepływy podczas napadu padaczki. Główne zastosowania: badanie perfuzji w udarach, demencji, chorobach Alzheimera i Parkinsona, diagnostyka nowotworów mózgu Główną wadą techniki jest słaba zdolność rozdzielcza