Fontos fogalmak. A pörgettyűmodell

Átírás

1 Diagnosztikai és terápiás módszerek biofizikai alapjai Rádióspektroszkópiai módszerek: Elektronspin-Rezonancia Spektroszkópia (ESR) és Mágneses Magrezonancia Spektroszkópia (NMR) alapelvei Február 24. Türmer Katalin NMR A két módszer fizikai alapelvei hasonlóak ESR Különbségek: a mágneses kölcsönhatások erősségében és irányában A mágneses rezonancia jelensége Vizsgálhatóságának feltételei: mágnesezhető rendszerek, amelyek impulzusmomentummal valamint mágneses momentummal is rendelkeznek Rezonancia: a jelenséget csak a mágneses rendszer természetes (saját) vagy rezonancia frekvenciáján lehet megfigyelni Fontos fogalmak Az atommagot alkotó részecskék: protonok és neutronok, valamint az elektronok is feles spinű részecskék Spin: az elemi részecskék saját perdülete, egy alapvető fizikai tulajdonságuk Impulzus: az elektronok mozgást végeznek, ezért forgási impulzussal, impulzusmomentummal rendelkeznek ; elektronok esetében pálya (L) és saját impulzusmomentumról(elektronspinről) (S)beszélünk (vektormennyiség) A pörgettyűmodell A magok mágneses volta a spinimpulzus-momentumra vezethető vissza. NMR-1/2 spinű magokat vizsgálunk: Az atommagok spinkvantumszáma: 0, 1/2, 1, 3/2, 2... ~4. meghatározza, hogy az adott mag mágneses-e ( NMR aktív ). Minden páratlan tömegszámú mag rendelkezik spinnel (impulzusmomentummal). A 12 C spinkvantumszáma 0 nincsen NMR spektruma. A 13 C spinkvantumszáma ½ mágneses momentuma ½ NMR jelet ad. A leggyakrabban mért magok: 1 H, 13 C, 15 N, 17 O, 19 F. Az atommagok és elektronok saját mágneses momentumának eredete A magok töltésének és spinjének együttes jelenléte a forgó töltés révén saját mágneses momentum megjelenéséhez vezet, ez függ a spin nagyságától Az elektronok e elektromos töltéssel is bírnak, ez a mozgó töltés maga körül mágneses teret gerjeszt, ezért az elektronok µ mágneses momentummal (pályamágnesség és spinmágnesség)rendelkeznek Spinmágnesség (mágneses momentum): (arányos az impulzusmentummal) µ=γs µ-elektronok saját mágneses momentuma S-elektronok saját impulzusmomentuma γ-arányossági tényező 1

2 A mágneses momentum eredete II. A mágneses momentum abszolútértéke: g Ahol: S S 1 eh g S 4 mc β-a mágneses momentum elemi egysége, az ún, Bohr magneton e-az elektron töltése m-az elektron tömege h-planck-állandó c-a fény terjedési sebessége g-g-faktor Az iránykvantálás jelensége Stern és Gerlach (1921) a megengedett spinállapotok kvantáltak és a magspin ill. elektronspin vektor egy kijelölt Z irányra -egyben a külső mágneses tér irányára is-vonatkozó vetülete csak diszkrét értékeket vehet fel (a kvantumnak (ez az elemi egység) csak többszöröse lehet) Rezonancia jelensége Mágneses tér jelenlétében az elektronok járulékos energiára tesznek szert, ennek nagysága: E=gβHmS ms-elektronspin vetülete H-a mágneses tér iránya Külső mágneses tér jelenlétében a tér és a mágneses momentum kölcsönhatásának eredményeként a proton és az elektron energiaszintje felhasad két energiaszintre. Ezek közül az alacsonyabb a részecske alap, A magasabb a gerjesztett állapotának felel meg. A felhasadás mértéke függ a mágneses térerősségtől Tehát külső mágneses térben az elektronspin vagy paralel vagy antiparalel orientációt vehet fel a tér irányára vonatkoztatva. A párnélküli elektronok járulékos energiája a két orientációnak megfelelően E1=1/2 gβh E2=-1/2 gβh A két energia különbsége: h*ν=gβh Ν- a spektrométerben alkalmazott frekvencia Ekkor a rendszer energiacserére kényszerül a környező elektromágneses térrel. Ez a jelenség az elektronparamágneses rezonancia. A rezonancia feltétel A proton ill. elektron (magspin és elektronspin) által elfoglalható energiaszintek (nívók) között átmenet hozható létre f0 frekvenvenciájú elektromágneses sugárzás alkalmazásával A következő egyenlet a rezonancia feltétel: ΔΕ=h* f0 Állandó frekvencia esetén a különböző magok különböző mágneses térerősségnél mutatnak rezonanciát E E 2 E 1 h 2

3 A mágneses térben levő protonok és E elektronok alap és gerjesztett állapota 2 különböző E 1 A forgó (saját impulzusmomentummal rendelkező) proton ill. elektron helyzetét leíró spin és mágneses momentum vektorok alapállapotban a külső mágneses térhez képest párhuzamosan, gerjesztett állapotban pedig ellentett irányba állnak be A 2 mágneses momentum vektor a mágneses erővonalakat körülvevő kúp palástja mentén precesszáló (egy forgó tárgy forgástengelyének megváltozása) mozgást végez f0 frekvenciával A külső mágneses tér irányában a magspinek véletlenszerűen állnak be E h A kísérletekhez szükséges mágneses tér bekapcsolásakor a véletlenszerű beállásoknak megfelelő állapot megszűnik, a magspinek a tér irányához viszonyítva rendezett állapotot vesznek fel Egyes protonok illetve elektronok a párhuzamos, mások ellentett spinállapotba kerülnek és precesszáló mozgást végeznek a mágneses tér iránya körül A Boltzmann-eloszlás Szabályozza a 2 állapot közötti spinmegoszlást Az elektronok illetve protonok egy része s=+1/2 állapotban, másik részük az s=-1/2 állapotban található. A Boltzmann-eloszlás szerint az alacsonyabb energiájú állapot betöltöttsége (N-) nagyobb. N+/N-=exp(-ΔE/kT) Mivel a környezetével hőegyensúlyban levő mintában kicsit több proton található alapállapotban NMR spektrum A mintát homogén elektromágneses térbe helyezzük A rá ható elektromágneses sugárzás frekvenciájának szabályozásával a besugárzott energia egy részének abszorpcióját idézzük elő Az elnyelt elektromágneses sugárzás intenzitásának frekvenciafüggése az NMR spektrum Egymással kölcsönhatásban nem álló protonok NMR spektruma közelít egy Gauss-görbéhez A spektrum görbe alatti területe arányos a mintában levő abszorbeáló atommagok (protonok) számával Kémiai eltolódás A mag-mágnesek olyan érzékenyek, hogy eltérő kémiai környezetben (molekulán belüli elhelyezkedésbeli különbségnél) megváltozik a rezonanciafrekvenciájuk. kémiai eltolódás: az NMR spektrumból nyerhető elsődleges információ. A spektrum egyéb adatai is jelentős információval szolgálnak. Tehát: a mag kémiai környezetétől függően eltolódhat a spektrum Fourier-transzformáció A modern NMR készülékek ún. Fourier-transzform üzemmódban működnek. Mi történik a magok mágneses momentumaival, ha azokat a rezonancia frekvenciának megfelelő elektromágneses sugárzásnak tesszük ki A magok mágneses momentumai a mágneses tér irányával paralel ill. antiparalel állnak be és vektoriálisan összeadódva létrehozzák a minta makroszkópikus mágnesezettségét A spinek 2 ellentétes kúppalást mentén tömörülve a rezonanciának megfelelő sebességgel precessziós mozgást végeznek 3

4 Ha a mintát gerjesztjük a rezonanciafrekvenciának megfelelőradiofrekvenciás impulzussal, Akkor a minta makroszkópikus mágnesezettsége kölcsönhatásba lép a radiofrekvenciás tér mágneses komponensével Ennek következtében a minta mágnesezettsége a radiofrekvenciás tér mágneses komponensének iránya körüli precessziós mozgást végez a tér jelenlétének ideje alatt, elfordul az idő hosszának megfelelő mértékben (90 vagy 180 fokkal) Relaxációs folyamatok Ha az elektronok ill. magok környezete eltérő, akkor a különböző g- faktorok miatt különböző mágneses térnél figyelhetjük meg a rezonancia jelenségét. Az energiacsere a rendszer és a környezete között nagyon gyorsan lezajlik, ezért folyamatos energiaelnyelést figyelhetünk meg A gerjesztett állapotban levő elektronok alapállapotba történő visszatérését irányító folyamatok a. Relaxáció: a kibillent rendszer visszatérése alapállapotba. Exponenciális függvény szerint, időállandója a relaxációs idő. (Az az időtartam, amely alatt az állapotot jellemző paraméter elérése az egyensúlyi állapothoz tartozó értéktől e-ad részére csökken.) spin-rács relaxáció: a gerjesztett spinek a fölösleges energiától a környezettel való kölcsönhatás révén szabadulnak meg. spin-spin relaxáció: a gerjesztett spinrendszeren belül történik az energiaátadás (ha térbeli közelség van). ESR Az előbb elhangzottak érvényesek az ESR-re is kisebb megszorításokkal A magmagneton és Bohr-magneton közti 2000-szeres különbség miatt az ESR frekvenciák jóval magasabbak, mint az NMR esetében Az ESR spektométerek technikailag eltérő felépítésűek Az energiakülönbség jóval nagyon ESR esetében A Boltzmann-eloszlásnak megfelelően jóval több elektron tartózkodik az alacsonyabb E-jú spinállapotban, így több a gerjeszthető elektron, ezért a jel is nagyságrendekkel nagyobb Éppen ezért jóval kisebb anyagmennyiség szükséges a méréshez Tehát az ESR jóval érzékenyebb technika Az ESR alkalmazása azon rendszerekre korlátozódik, amelyekben az elektronok eredő mágneses momentuma nullától különböző, azaz paramágnesesek ezen atomok vagy molekulák A paramágneses molekula érzékeny a környezetére, változásaira, az elektronok közelebbi kölcsönhatásban vannak környezetükkel, mint az atommagok GHz elektromágneses sugárzás alkalmazható A molekuláris mozgások dinamikája szélesebb időtartományban figyelhető meg Az elektronspin-magspin kölcsönhatások miatt kialakul ehy hiperfinom szerkezet a spektrumokon (makroszkópikus rendezettség: egy adott molekula mozgása mennyire korlátozott a tér valamely szögtartományára ESR jelet csak akkor detektálhatunk, ha a vizsgált rendszerben jelen van paramágneses centrum pl. egy szabad gyök Jelölő molekula (SL) a fehérjén N terminal Spin label Spin label Linker C terminal 4

5 Hogyan működik a spektrométer? 26 Az EPR Spektrum Az EPR spektrumot rendszerint a mágneses tér változtatásával valósítják meg. A spektrométer kimenő jele az energiaelnyelés első deriváltjával arányos, ez a mágneses tér függvényében kapott jel az EPR spektrum. 28 Troponin C in EGTA- and Ca-state I I +1 0 e ff = 2.0 ns H +1 e ff = 16.0 ns I -1 2A' zz (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging : mágneses magrezonancia képalkotás Orvosi diagnosztikában: a test szerkezetének leképezéséhez agyi képalkotás területén Előnye a komputertomográfiához képest: jobb a kontrasztfelbontó képessége a lágy szövetek területein Létezik: a strukturális MRI vizsgálat (smri) mellett ún. funkcionális MRI (fmri) is, amellyel a vizsgált szervek működéséről nyerhető információ. H 5

6 Az MRI működési alapelve mágneses térbe helyezik a testrészt ez megdönti a protonok tengelyének irányát a hidrogénatomokban Elektromágneses tér plusz energiával bombázzák, megváltoztatják a tengelyek dőlését igyekszik visszaállítani eredeti dőlésszögét a kapott energiát visszasugározza ezt a visszasugárzott energiát mérjük ez egy 3D képrekonstrukció A mágneses térerősségnek a rezonanciafeltételt egy adott pillanatban a leképzendő testszelvény kicsiny térfogatelemében kell kielégítenie több mágneses tér egyidejű alkalmazásával. A gradiensek változtatásával a sík pásztázása. beállított síkokban képeket készítenek, amelyekről információt nyernek az adott térfogaton található szövetek víztartalmáról, sűrűségéről Voxel A képalkotásban a legkisebb vizsgálati egység. Meghaladja a sejtek méretét (1-3 mm oldalhosszúságú) megeshet, hogy egy adott voxel például szürke és fehérállományhoz tartozó sejteket is tartalmaz. Statisztikai eljárások, beprogramozott elvek segítségével a szoftver döntést hoz az adott területtel kapcsolatban. A műszer gerjesztési adatok: B=0,05 2 T f=mhz-10mhz Adatok forrása: a protonokból visszasugárzott energia mennyisége. Info: szövetek sűrűsége szövetek kémiai környezete víztartalom eloszlása Az MRI képek jellemzői súlyozási eljárások: :strukturális elemzésekhez - a szürkeállomány sötétebb szürke, a fehérállomány világosabb, esetleg fehér, és a liquor fekete. a szürkeállomány vékony felülete világosabb tónusú a fehérállománynál, ám a liquor itt is fekete. Nehézségek az elemzésben Voxelek: a legnagyobb felbontású gépekben is milliméter nagyságrendűek. Hosszadalmas, nagy körültekintést igényel és drága. A páciens mozog, a képek egymáshoz képest elmozdulnak. Egyenetlen mágneses mező torzulások. A szkenner felmelegszik. rossz jel-zaj arány rontja a statisztikák megbízhatóságát is. 6

7 Nehézségek Az emberi agyak nem egyformák. barázdáltság, méret alak összehasonlításhoz megfeleltetik őket egymásnak regisztráció: szükséges átalakítások felmérése, számítása transzformáció: fentiek végrehajtása. illesztés A számításokat a koordináta-transzformáció szabályai szerint végzik. lineáris transzformáció - merev testek esetén (ugyanazon személy elmozdult agyának illesztésére): mozgatás, forgatás, három dimenzió mentén; méretezés, torzítás MR-biztonság Elektromos implantátumok: pl. pacemaker, inzulin-pumpa, megoldás lehet: implantátumok olyan nanoborítása, amely leárnyékolja a szerkezetet. Mágnesezhető idegen testek (pl. repeszdarabok) vagy fém implantátumok (pl. sebészeti protézisek, aneurizma sztentek) implantátum mágneses mezőben való elmozdulása, a tárgy indukciós felhevülése. megoldás: titán implantátumok (nem mágnesezhető és gyenge elektromos vezető. implantátumok és egyéb klinikai készülékek besorolása: MR biztos, MR feltételes jelzés, MR veszélyes jelzés MR-biztonság Klausztrofóbia és diszkomfortérzés Vizsgálandó testrészet a hosszú cső közepébe Hosszú szkennelési idő (alkalmanként akár 40 perc is lehet). Mozgolódás torzító hatása nehezen kiküszöbölhető Modern MR készülékek: nagyobb átmérő (70 centimétert), rövidebb szkennelési idő. Előzetes felkészülés a szkenner megtekintése a szoba megismerése céljából, az asztalon való előzetes fekvés vizualizációs technikák gyógyszeres nyugtatás általános altatás Megküzdés a szkennerben pánikgomb szemek csukva tartása zenehallgatás vagy egy film nézése a szkenner szoba megvilágítása, hangok lejátszása, és képek a falon vagy a plafonon Alternatív szkenner kivitelezések: nyitott, vagy álló MRI alacsonyabb szkennelési minőség ( kisebb mágneses mező). A kereskedelemben az 1 teslás nyitott rendszerek kezdenek elterjedni, mivel sokkal jobb képminőséget biztosítanak. Strukturális MRI vizsgálat Az agyi képalkotás módszere. Van-e eltérés egy betegcsoport szürkeállományának méretében a normál populációhoz képest? Bizonyos tevékenységek hosszú éveken át történő űzése együtt jár-e strukturális elváltozásokkal? Adott beteg agysérülésének pontos felmérése. Strukturális elváltozások kapcsolata neurológiai, pszichiátriai tünetekkel. ublications/mri1.jpg ublications/mri_neuro1.jpg Funkcionális MRI A funkcionális MRI (fmri) az MRI vizsgálat egy specializált típusa, amely az idegi aktivitással összefüggésben lévő hemodinamikus választ méri az emberek és állatok agyában vagy spinális kötegében. Az 1990-es évek elejétől kezdve az fmri domináns módszerré vált az agy feltérképezésének területén, mivel nem invazív eljárás, nem használ radioaktivitást, valamint viszonylag széleskörűen hasznosítható. BOLD MRI A vér-oxigén-szint függő (Blood-oxygen-level dependent) MRI lehetővé teszi, hogy megfigyeljük, hogy az agy mely területei aktívak adott időben. Hemodinamikus válasz-folyamaton keresztül a vér nagyobb mértékben szállít oxigént az aktív, mint az inaktív neuronokhoz. Mágneses érzékenységben különbségek vannak az oxihemoglobin és a deoxihemoglobin között, és így az oxigéndús és az oxigénszegény vér között a mágneses jel változása MRI szkennerrel detektálható. Statisztikai módszerekkel meghatározható, hogy az agy mely területei aktívak a gondolatok, mozgások és élmények alatt. 7

8 Kontraszt MR, megjelölt spin technika Kontraszt MR Befecskendezett kontraszt anyag (vasoxid) zavart okoz a mágneses mezőben MRI szkenner mérni tudja. A jelek összefüggésben állnak a kontraszt anyag típusával és az agyi vérmennyiséggel. Növelhető az fmri vizsgálatok hasznossága. A mai napig nincs olyan alternatív eljárás, amely ilyen érzékenységgel tudná jelezni az agyi változásokat. Megjelölt spin technika (ASL) Mágneses jelölés esetében a proximális vérellátás megjelölt spin technikát (ASL) használ. Kontraszt anyag nélküli perfúziós vizsgálat. Az eljárás több kvantitatív pszichológiai információt nyújt, mint a BOLD, és hasonló érzékenységgel rendelkezik a feladat-indukált változásokra nézve. 8