2. Jean Baptiste Joseph Fourier
1768-1830
Jean-Baptiste-Joseph Fourier (1768-1830) francia matematikus és fizikus 1822-
ben kiadott, a termodinamikával foglalkozó művében matematikailag bizonyította,
hogy tetszőleges periodikus változás leírható szabályos sinus- és cosinus
hullámok összeadódása (szuperpozíciója) eredményeként.
3. Jean Baptiste Joseph Fourier
1768-1830
A róla elnevezett Fourier-transzformáció segítségével a detektor-tekercsen fogott
időben véges, összetett jelből (felső sor) kiszámítható az azt felépítő, különböző
térpontokból származó sinusos hullám-alkotórészek frekvenciája és amplitúdója
(alsó sor).
4. Körkörös mozgást végző töltések
forgástengelyük irányában mágneses
teret hoznak létre (indukció). Az atommag
alkotórészei (protonok és neutronok)
tengely körüli forgásuk következtében
mágneses mezőt indukálnak. A neutronok
töltése kifelé nulla, de pozitív és negatív
töltésű alkotóelemeik a forgástengelytől
eltérő távolságban helyezkednek el, így
különböző perdületükből adódóan az
általuk keltett mágneses mezők eredője
nem nulla. Amennyiben a
magalkotórészek párosával töltik ki a
magpályákat, ellentétes spinűkből
adódóan mágneses momentumaik
kiegyenlítik egymást.
5. Páratlan mag-spinnel rendelkező atomok mag-mágneses
momentuma megfelelő mágneses térben
rádióhullámokkal befolyásolható, a mágneses
momentum változása mérhető. Diagnosztikai célra az
élő szervezetekben nagy mennyiségben jelenlevő,
jelentős mag-mágneses tulajdonsággal bíró hidrogén-
atommagot (protont) használjuk fel.
6. A mágneses irányultság kialakulásában
fontos szerepet játszik a precessziónak
nevezett fizikai jelenség. Forgómozgást
végző testek a rájuk kívülről gyakorolt
erőhatás ellenében igyekeznek megtartani
forgástengelyük eredeti irányát.
A magok mágneses momentuma a külső
erőtér tengelye körül forgó mozgásba
kezd, melynek során periódusosan
kibillen, majd visszatér az eredeti
tengelyirányba. Az így kialakult
precessziós mozgás periódusideje a külső
mágneses tér erősségétől függ.
Magasabb térerejű mágnesben a
behelyezett atomok mag-mágneses
momentuma gyorsabb precessziós
forgómozgást végez.
7. Rf absorpció
Ha nettó mágneses momentummal rendelkező magokat külső mágneses tér hatásának
teszünk ki, ezek a magok a rádiófrekvenciás sugárzás egy adott szűk tartományából energiát
képesek felvenni. Akár a mágneses tér erősségét, akár a besugárzási frekvenciát változtatjuk,
az abszorpciós görbén éles csúcsot figyelhetünk meg. Az abszorpciós maximum frekvenciája
és a külső mágneses tér erősségének hányadosa állandó és a vizsgált anyag minőségétől
függ. Ezt az összefüggést a Larmor-egyenlet fejezi ki:
ω = γ * B0
ω a sugárzás szögfrekvenciája
γ az anyagra jellemző giromagnetikus állandó (1H atomra 42,58 MHz/T)
A felvett energia egy része hővé alakul, egy részét a vizsgált anyag az aktuális mágneses
térnek megfelelő Larmor-frekvencián csökkenő erősséggel visszasugározza. A csökkenés
mértéke a mágneses momentummal rendelkező atommagok közvetlen molekuláris
környezetének viszonyaitól, az atomok mágneses „kötöttségétől” függ. Utóbbi a különböző
biológiai struktúrákban más és más, ezért a jelenség mérésével képalkotásra nyílik lehetőség.
Az élő szervezetben legnagyobb mennyiségben jelen lévő atommag, a hidrogén erős mag-
mágneses momentummal rendelkezik, ez teszi lehetővé az MR technika orvosi alkalmazását.
8. Megfelelően erős mágneses térbe helyezve a magok saját
mágneses momentuma a külső mágnes polaritásához igazodik.
Egy részük a külső térrel azonos, valamivel kevesebb azzal
szembenálló mágneses irányultságot vesz fel.
9. Sir Joseph Larmor
1857-1942
Ír születésű, Angliában a Cambridge-i
Egyetemen professzorként dolgozó elméleti
fizikus és matematikus. Maxwell
elektromagnetikus elméletét fejlesztette
ν= γ B
tovább, munkájának egyik eredménye az ún.
Larmor-formula. Ez a mágneses térben
γh = = 42.58 MHz / T
mozgó töltés gerjesztési frekvenciáját
határozza meg. ν: Larmor – frekvencia
γ az anyagra jellemző ún. giromagnetikus
állandó, B a külső mágneses tér erőssége.
10. Az MR képalkotás története
1977 EPI Mansfield – Nobel díj, 2003
1977. Július 3. 4:45 Az első kép Damadian
emberről
1975 NMR Fourier Ernst – Nobel díj, 1991
Zeugmatography
1973 Zeugmatography Lauterbur - Nobel díj, 2003
1972 Rák detektálása Damadian, US Patent 3,789,832
NMR-rel
Hatvanas évek Relaxometria Hazlewood, Damadian, Ling…
második fele élő szövet
Hatvanas évek Spektroszkópia Ernst – Nobel díj, 1991
1946 NMR jelenség Bloch, Purcell – Nobel díj, 1952
11. Nobel díjasok
• Otto Stern (1988-1969) • Isidor Isaac Rabi
• 1943 – „a molekula-sugár (1898-1988)
módszer kifejlesztéséért és a • 1944 – „az atommagok
proton mágneses mágneses tulajdonságainak
momentumának vizsgálatára kidolgozott
felfedezéséért” rezonancia módszeréért”
Cornelis
Jacobus Gorter
12. Elektronspin rezonancia
1941
A Kazanyi Egyetemen Zavoisky fedezte
fel az elektronspinrezonanciát és először
tett kísérletet a magmágneses rezonancia
mérésére, de kísérlete sikertelen volt.
Yevgeni K. Zavoisky
13. Az NMR születése
• 1952 – Felix Bloch & Edward Mills Purcell
• „a magmágneses preciziós mérések kifejlesztett új módszereiért és
az ezekkel kapcsolatos felfedezésekért”
Stanford University Harvard University
Felix Bloch Edward Purcell
William Hansen Henry Torrey
Martin Packard Robert Pound
(víz) (paraffin)
(1905-1983) (1912-1997)
Stanford MIT - Harvard
A mágneses magrezonancia jelenségének meglétét folyadékokban és szilárd
anyagokban két egymástól függetlenül dolgozó kutatócsoport bizonyította
csaknem egyszerre 1946-ban Felix Bloch és Edward Purcell vezetésével.
14. NMR spektroszkópia
A hatvanas évektől a mágneses
magrezonancia a kémiai analízis vezető
eszközévé vált. Előnye, hogy a minta
megváltoztatása nélkül végezhető el a
szerkezeti elemzés.
Varian A-60 1961
15. MRS alapjai
• Páratlan atomszámú magok magspinnel,
„pördülettel” jellemezhetők.
• Minden térben mozgó töltött test mágneses teret
kelt maga körül.
• Minden páratlan rendszámú mag egy kis
mágnes.
16. MRS alapjai
• Erős, külső mágneses tér tengelye körül a
mágneses vektorok adott frekvenciával
pörögnek.
• Ez a Larmor frekvencia, mely a külső
mágneses tér erejével egyenesen arányos.
• Ez a rezonancia frekvencia is.
17. MRS alapjai
• A különböző mikrokörnyezetben lévő magok
rezonancia frekvenciája kicsit eltér.
• Emiatt egyes kötések, illetve metabolitok a
spektrum eltérő helyein jelennek meg.
(Chemical Shift)
• A csúcsok alatti terület a mennyiséggel, míg
a félszélesség a T2 relaxációs idővel
arányos.
18. A víz első 1H NMR spektruma
Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. The nuclear induction experiment. Physical Review (1946), 70 474-85.
19. Chemical shift
A különböző kémiai kötésben lévő
hidrogénatomok mag-mágneses
rezonancia-frekvenciája a kémiai kötés
erősségétől függően és a
környezetükben található kémiai
csoportok mágneses hatása miatt
eltérő lehet (chemical shift). Az etanol
molekulában három eltérő erősségű
kötésben található hidrogén. A
különböző kötési energiájú
hidrogénatomok a gerjesztési Etanol (CH3-CH2-OH)
spektrumon elkülönülő sávokat hoznak
létre. Gerjesztési spektrumuk alapján
a különböző molekulák elkülöníthetők.
20. A Chemical Shift első megjelenítése
1951
Ethanol 1H NMR
spectruma
Arnold, J.T., S.S. Dharmatti, and M.E. Packard, J. Chem. Phys., 1951. 19: p. 507.
Modern ethanol spectrum
21. Free Induction Decay
FT
Egynemű anyag
Pl. tiszta víz
Kevert anyag
Pl. agyszövet FT
23. NMR spektroszkópia
• Richard Ernst
• 1991 – kémiai
Nobel díj
• „a nagy felbontású NMR
spektroszkópia
kifejlesztéséért tett
hozzájárulásáért”
• Időben változó mágneses
gradiensek,
• Fourier-rekonstrukció
33. Az első MR kép emberről
1977. Július 3. 4:45, Minkoff
34. Az első pathológiás eset –
emlőrák tüdőmetastázisa
Physiol. Chem. & Phys., 10:285-87, 1978.
35. Mágneses rezonanciás
képalkotás (MRI !)
• 2003 – Paul Lauterbur & Sir Peter Mansfield
• „a mágneses rezonanciás képalkotás vonatkozásában tett
felfedezésekért”
Paul Lauterbur Peter Mansfield
SUNY Stony Brook Nottingham, Anglia
1973 Első 2D képek 1973 2D (kristályok)
1976 Echo-planar
imaging
(1929-2007) (1933-)
36. A képalkotáshoz a kémiai analízissel
szemben térbeli felbontást kell
biztosítania. Ezt mágneses
gradiensek segítségével érhetjük el.
Térben változó erősségű mágneses
tér hatására a Larmor-frekvencia is
változik. Megfelelő excitációs
frekvencia választásával a vizsgált
térfogat adott része célzottan
gerjeszthető, az ezután detektált jelek
ebből a térrészből származnak.
A detektálás fázisában alkalmazott, a
korábbitól eltérő irányú gradiens
hatására egy újabb dimenzióban
valósítható meg a jelek
szétválasztása.
37. Az MR berendezésbe (1) helyezett beteg hidrogén
atommagjai a berendezés erős, homogén
mágneses terének (2) hatására szabályosan
rendeződnek. A beteg köré helyezett tekercs (3)
hozza létre periodikusan a rádiófrekvenciás
sugárzást (Rf. impulzus) és detektálja a betegből
érkező rádiófrekvenciás jeleket.
Az anatómiai struktúrák térbeli elkülönítésére
többféle, mindig a vizsgálat céljának megfelelő
módszert alkalmaznak. A gerjesztő impulzus az
idő függvényében, a vizsgált régió felett a
mágneses tér erőssége térben és időben egyaránt
változtatható. Így egyrészt a különböző térrészek
különböző időben történő gerjesztése (szelektív
excitáció), majd a gerjesztés után az atommagok
által kibocsátott jel frekvenciájának és fázisának
térbeli pozíciótól függő változtatása (frekvencia és
fázis szerinti kódolás) valósítható meg. A
különböző pontokból egy időben kibocsátott és a
detektorra érkező jelek szétválasztását speciális
matematikai módszer szerint számítógép végzi.
38. …és a vele előállított, mai szemmel igen
rossz, zajos képek.
Kísérleti MR berendezés a 70-es évekből…
39. 1987 - MRA
Az MR képalkotás igen érzékeny
mozgási műtermékekre. Ezt a
sajátságot megfelelő
szekvenciákkal felerősítve szöveti
mozgások – az artériás vagy vénás
vér áramlása – láthatóvá tehető. A
fenti képek speciális MRA (MR-
angiográfiás) szekvenciával
ábrázolják az agyalapi ereket. A jó
felbontást mindenféle
kontrasztanyag nélkül éri el a
berendezés.
40. Fontosabb évszámok
• 1937 – I. I. Rabi: molekula-sugár MR (Nobel-díj 1944)
• 1946 – Felix Bloch, Edward Purcell : Mágneses magrezonancia
(Nobel-díj 1952)
• 1971 – Raymond Damadian : tumoros és egészséges szövetek
relaxációs ideje eltérő
• 1973 – Paul Lauterbur: első 2D képek (2 db. 1mm-es üvegcső)
(Nobel-díj 2003)
• 1973 – Peter Mansfield: 2D leképezés kristályokon (Nobel-díj
2003)
• 1975 – Richard Ernst : fázis- és frekvencia kódolás elve, Fourier
transzformáció alkalmazása (Nobel-díj 1991).
• 1977 – Raymond Damadian: első teljes test MRI.
• 1980 – Egy kép kb. 5 perc
• 1981 – Schering: Gd-DTPA dimeglumine
• 1986 – Egy kép 5 másodperc.
• 1987 – Charles Dumoulin: MRA.
• 1993 – Funkcionális MRI (fMRI) – agytevékenység leképezése
43. Nyitott MR berendezések
Műtét közbeni vizsgálatot Klausztrophobiás (bezártságot
lehetővé tevő MR készülék. nem elviselő) betegeknek
kifejlesztett nyitott MR
berendezés.
Az MR történetének összefoglalásának a 2003. évi orvosi Nobel-díj ad aktualitást. A felfedezést harminc évvel követő díjazás prioritási vitát indított el a tudományos közéletben. Vezető amerikai lapokban fizetett hirdetések jelentek meg, melyek szerzői a díjat odaítélő bizottság kompetenciáját és jóhiszeműségét is megkérdőjelezték, igazságot követelve egy, a díjból „kihagyott” tudósnak.
Az MR vizsgálat felfedezésére is igaz, hogy az elméleti kutatás megelőzte a technika mindenkori állapota által korlátolt gyakorlati fejlesztést. Jean-Baptiste-Josep h Fourier (1768-1830) francia matematikus és fizikus 1822-ben kiadott, a termodinamikával foglalkozó művében matematikailag bizonyította, hogy tetszőleges periodikus változás leírható szabályos sinus- és cosinus hullámok összeadódása (szuperpozíciója) eredményeként . A róla elnevezett Fourier-transzformáció segítségével a detektor-tekercsen fogott időben véges, összetett jelből (felső sor) kiszámítható az azt felépítő, különböző térpontokból származó sinusos hullám-alkotórészek frekvenciája és amplitúdója (alsó sor).
Az MR vizsgálat felfedezésére is igaz, hogy az elméleti kutatás megelőzte a technika mindenkori állapota által korlátolt gyakorlati fejlesztést. Jean-Baptiste-Josep h Fourier (1768-1830) francia matematikus és fizikus 1822-ben kiadott, a termodinamikával foglalkozó művében matematikailag bizonyította, hogy tetszőleges periodikus változás leírható szabályos sinus- és cosinus hullámok összeadódása (szuperpozíciója) eredményeként . A róla elnevezett Fourier-transzformáció segítségével a detektor-tekercsen fogott időben véges, összetett jelből (felső sor) kiszámítható az azt felépítő, különböző térpontokból származó sinusos hullám-alkotórészek frekvenciája és amplitúdója (alsó sor).
Körkörös mozgást végző töltések forgástengelyük irányában mágneses teret hoznak létre (indukció). Az atommag alkotórészei (protonok és neutronok) tengely körüli forgásuk következtében mágneses mezőt indukálnak. A neutronok töltése kifelé nulla, de pozitív és negatív töltésű alkotóelemeik a forgástengelytől eltérő távolságban helyezkednek el, így különböző perdületükből adódóan az általuk keltett mágneses mezők eredője nem nulla. Amennyiben a magalkotórészek párosával töltik ki a magpályákat, ellentétes spinűkből adódóan mágneses momentumaik kiegyenlítik egymást. Páratlan mag-spinnel rendelkező atomok mag-mágneses momentuma megfelelő mágneses térben rádióhullámokkal befolyásolható, a mágneses momentum változása mérhető. Diagnosztikai célra az élő szervezetekben nagy mennyiségben jelenlevő, jelentős mag-mágneses tulajdonsággal bíró hidrogén-atommagot (protont) használjuk fel.
A mágneses irányultság kialakulásában fontos szerepet játszik a precessziónak nevezett fizikai jelenség. Forgómozgást végző testek a rájuk kívülről gyakorolt erőhatás ellenében igyekeznek megtartani forgástengelyük eredeti irányát. A magok mágneses momentuma a külső erőtér tengelye körül forgó mozgásba kezd, melynek során periódusosan kibillen, majd visszatér az eredeti tengelyirányba. Az így kialakult precessziós mozgás periódusideje a külső mágneses tér erősségétől függ. Magasabb térerejű mágnesben a behelyezett atomok mag-mágneses momentuma gyorsabb precessziós forgómozgást végez.
Ha nettó mágneses momentummal rendelkező magokat külső mágneses tér hatásának teszünk ki, ezek a magok a rádiófrekvenciás sugárzás egy adott szűk tartományából energiát képesek felvenni. Akár a mágneses tér erősségét, akár a besugárzási frekvenciát változtatjuk, az abszorpciós görbén éles csúcsot figyelhetünk meg. Az abszorpciós maximum frekvenciája és a külső mágneses tér erősségének hányadosa állandó és a vizsgált anyag minőségétől függ. Ezt az összefüggést a Larmor-egyenlet fejezi ki: ω = γ * B 0 ω a sugárzás szögfrekvenciája γ az anyagra jellemző giromagnetikus állandó ( 1 H atomra 42,58 MHz/T) A felvett energia egy része hővé alakul, egy részét a vizsgált anyag az aktuális mágneses térnek megfelelő Larmor-frekvencián csökkenő erősséggel visszasugározza. A csökkenés mértéke a mágneses momentummal rendelkező atommagok közvetlen molekuláris környezetének viszonyaitól, az atomok mágneses „kötöttségétől” függ. Utóbbi a különböző biológiai struktúrákban más és más, ezért a jelenség mérésével képalkotásra nyílik lehetőség. Az élő szervezetben legnagyobb mennyiségben jelen lévő atommag, a hidrogén erős mag-mágneses momentummal rendelkezik, ez teszi lehetővé az MR technika orvosi alkalmazását.
Megfelelően erős mágneses térbe helyezve a magok saját mágneses momentuma a külső mágnes polaritásához igazodik. Egy részük a külső térrel azonos, valamivel kevesebb azzal szembenálló mágneses irányultságot vesz fel.
Ír születésű, Angliában a Cambridge-i Egyetemen professzoraként dolgozó elméleti fizikus és matematikus. Maxell elektromagnetikus elméletét fejlesztette tovább, munkájának egyik eredménye az un. Larmor-formula. Ez a mágneses térben mozgó töltés gerjesztési frekvenciáját határozza meg. γ az anyagra jellemző un. giromagnetikus állandó, B a külső mágneses tér erőssége.
A fejlesztés eredményeképpen végezték el az első kísérleti atomrobbantást Új-Mexikó államban ( Trinity teszt ). A kísérleti robbantáson dolgozó tudósok fogadást kötöttek a robbanás hatóerejére, a jóslatok a teljes kudarctól az egész bolygó megsemmisítéséig terjedtek. Rabi 18 kilotonnás becslése járt a legközelebb a tényleges 20 kilotonnás hatáshoz, ezért ő nyerte a fogadást. [2] Amikor 1964 -ben a Columbia Egyetem létrehozta az Egyetem Professzora címet, Rabi volt az első, aki ezt a címet megkapta. Híres mondása: „a világ jobb lenne Teller Ede nélkül”.
A Kazanyi Egyetemen Zavoisky fedezte fel az elektronspinrezonanciát és először tett kísérletet a magmágneses rezonancia mérésére, de kísérlete sikertelen volt.
A hatvanas évektől a mágneses magrezonancia a kémiai analízis vezető eszközévé vált. Előnye, hogy a minta megváltoztatása nélkül végezhető el a szerkezeti elemzés.
A különböző kémiai kötésben lévő hidrogénatomok mag-mágneses rezonancia-frekvenciája a kémiai kötés erősségétől függően és a környezetükben található kémiai csoportok mágneses hatása miatt eltérő lehet (chemical shift). Az etanol molekulában három eltérő erősségű kötésben található hidrogén. A különböző kötési energiájú hidrogénatomok a gerjesztési spektrumon elkülönülő sávokat hoznak létre. Gerjesztési spektrumuk alapján a különböző molekulák elkülöníthetőek.
1971-ben egy MR spektroszkópiával foglalkozó amerikai orvos, Raymond Damadian közölte egészséges és daganatos szöveteken végzett mérései eredményét. Jelentős különbséget talált a normál és a malignus szövetek MR sajátságai között. Eredményeiből kiindulva elméletet dolgozott ki daganatos folyamatok emberi szervezetben való kimutatására. Teóriájára szabadalmi védelmet kért és kapott az Egyesült Államok Szabadalmi Hivatalától. Ez az okmány és értelmezése képezte a későbbi prioritás-viták alapját.
Lauterbur első kísérleti berendezésének vázlata.
Az MR berendezésbe (1) helyezett beteg hidrogén atommagjai a berendezés erős, homogén mágneses terének (2) hatására szabályosan rendeződnek. A beteg köré helyezett tekercs (3) hozza létre periodikusan a rádiófrekvenciás sugárzást (Rf. impulzus) és detektálja a betegből érkező rádiófrekvenciás jeleket. Az anatómiai struktúrák térbeli elkülönítésére többféle, mindig a vizsgálat céljának megfelelő módszert alkalmaznak. A gerjesztő impulzus az idő függvényében, a vizsgált régió felett a mágneses tér erőssége térben és időben egyaránt változtatható. Így egyrészt a különböző térrészek különböző időben történő gerjesztése (szelektív excitáció), majd a gerjesztés után az atommagok által kibocsátott jel frekvenciájának és fázisának térbeli pozíciótól függő változtatása (frekvencia és fázis szerinti kódolás) valósítható meg. A különböző pontokból egy időben kibocsátott és a detektorra érkező jelek szétválasztását speciális matematikai módszer szerint számítógép végzi.
Kísérleti MR berendezés a 70-es évekből.
Az MR képalkotás igen érzékeny mozgási műtermékekre. Ezt a sajátságot megfelelő szekvenciákkal felerősítve szöveti mozgások – az artériás vagy vénás vér áramlása – láthatóvá tehető. A fenti képek speciális MRA (MR-angiográfiás) szekvenciával ábrázolják az agyalapi ereket. A jó felbontást mindenféle kontrasztanyag nélkül éri el a berendezés.
