Hyperpolarized Gas MRI超高极化核种磁振造影.ppt

1,Hyperpolarized Gas MRI超高極化核種磁振造影,Shih,Yi-Yu2006/04/26,Advanced MRI Topic 8,2,Before we start this topic,前人種樹，後人乘涼各位物理狂熱者請手下留情這是一段量子物理與 MRI 的愛恨糾葛(其實MRI跟量物總有說不完的故事=.=)一個沒有實戰經驗的 topicLets go!,3,Outline,複習一些我們已經知道或已經忘記的MRI 的信號來源簡單的量子物理Hyper-polarizationSEOP(Spin Exchange Optical Pumping)MEOP(Metastasis Exchange Optical Pumping)Imaging and Application,4,人體內MRI的信號來源,器官內的原子核(不一定要是氫)酷似小磁鐵,5,外加磁場對氫原子核的影響,不規則排列規則排列,主磁場,6,所謂的排列規則也不見得很整齊,磁化向量大小=向量和 上下人口差,氫原子核(小磁鐵),淨磁矩=,spin up,spin down,7,根據 Boltzmann Distribution,除了主磁場之外，沒有一項可以更動,spin up 人口數,spin down 人口數,=,DE=g h Bo(h:浦朗克常數)k=波茲曼常數 T=絕對溫度(攝氏溫度+273),=1.0000049 約 5ppm difference,8,Brief review,1.5 T 地磁的 30,000 倍氫原子的排列依然不大整齊(5 ppm差異)離體表越遠 磁性越小但是人體含約70%的水體內的 protons 相當多18g 的水含有 2 x 6.02 x 1023 氫原子核數量上依舊相當可觀,9,What is hyper-polarization?,打破原本的 Boltzmann Distribution增加 state 之間的人口差異淨磁矩正比於人口差異 MR 信號成比例增加從 5 ppm difference 50 ppm difference 信號增加10倍fMRI,MRS的難度降低,10,把上下人口的差異變大?,可不可以把一些高能階原子核送到低能階?,氫原子核(小磁鐵),淨磁矩=,spin up,spin down,11,Why hyper-polarization?,提高 SNR!不是藉由增加主磁場強度得到高SNR影像要是這樣 主磁場強度豈不誇張的大有機會在低場下得到不錯的影像 Mobile High Resolution Xenon Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in the Earths Magnetic Field(05),12,即使可以達到 hyper-polarization,這樣的狀態也只是暫時的最終還是要恢復平衡態 Boltzmann distribution要是不能維持過極化態足夠長的時間 即使成功過極化 也是作白功,13,暫態 vs.平衡態,時間一久，超高極化便消失了,氫原子核(小磁鐵),淨磁矩=,氫原子核(小磁鐵),淨磁矩=,人為操作,14,How to do?,選擇鈍氣作為超高極化核種Laser optical pumpingSEOP&MEOPExplained by quantum physics將電子過極化 碰撞轉移到鈍氣原子核吸入鈍氣作 MRI(以肺部影像為例),15,Why noble gas?,鈍氣的relaxation相當緩慢(T1很長)電子軌域完全填滿單原子分子 沒有鄰近原子影響Hyper-polarization只是暫時的最終回到平衡態在HP-MRI中 T1 Relaxation使信號大幅損失T1越長 可以使用的時間也越長,16,回憶一下 Relaxation mechanism,弛緩不外是原子、電子、或分子間的作用,Bo,H2O,17,鈍氣是單原子分子,鄰近原子作用少，弛緩極慢,Bo,18,事情好像有點複雜,電子spin跟原子核spin的交換？SEOP透過鹼金屬作 indirect pumpingMEOP就不是經過鹼金屬作媒介pumping好像不容易想像 但是確實發生Schrdinger equation and quantized energy level先從熟悉的東西來看,19,氫原子電子雲,Wave function,Variable separation,20,Those good friends will appear again at the end of this semester,Schrdinger equation,Dont be afraid only kinetic energy+potential energy,Whats Hamiltonian?,21,Schrdinger equation,Wave function separate variables,各種 quantum number 代表能量 不同的量子數組合代表不同的能量狀態 Pauli exclusion principle,22,Quantum number,Principal quantum number(主量子數)n=1,2,3Orbital quantum number(軌域量子數)l=0,1,2(s,p,d)Magnetic quantum number(磁量子數)ml=-l,-l+1,l-1,lSpin quantum numberelectron:s=1/2nucleus:有點複雜,23,Total angular momentum,Spin quantum numberelectron:s=1/2Total momentum quantum numberj=l+s=l 1/2(for electron),Orbital Momentum,Spin Momentum,ex.5 s1/2,Total angular momentum,主量子數,24,Spectroscopic notation,一種表示原子的電子分佈狀態方式,L=0 S state;L=1 P state(以此類推)在雙電子的原子中 S=0 or 12S+1LJ 來表示原子的state 而,基態的6C 3P0,25,Nucleus spin number,原子核包含質子跟中子 看成一起自旋spin number:iDetermine nucleus spin number質子(偶)+中子(偶)i=0質子(奇)+中子(奇)i=1,2 質子+中子(奇)i=1/2,3/2,26,既然要拿來作過極化,Nucleus spin number 0鹼金屬Nucleus spin number 無所謂因為是要作電子自旋的激發Noble gas 最好是 1/2Half-life 應該要夠長(最好stable)自然界的含量要夠高假如有現成可用的當然最好,27,還記得電子軌域嗎？,填入電子的順序能量低的開始note:n+l,n 大者為高能量,The“Aufbau”Principle,28,跟元素週期表對照一下,s,p,d,f,Ref.http:/,29,Rubidium(Rb)&Cesium(Cs),Rubidium,Atomic Data,Nuclear Data,30,Rubidium(Rb)&Cesium(Cs),Cesium,Atomic Data,Nuclear Data,雖然有很多種同位素，但是能用的就只有這一種,31,Helium(He)&Xenon(Xe),Helium,Atomic Data,Nuclear Data,32,Helium(He)&Xenon(Xe),Xenon,Atomic Data,Nuclear Data,33,Zeeman effect,34,Brief summary,作超高極化可以提升影像的SNR即使proton很少的地方也無所謂Lung imaging使用鈍氣的理由：relaxation使用spin=1/2的鈍氣核種的理由：state=2注意spin-exchange：從電子到核,35,Have a rest here?發現我們好像還沒進入正題.,36,Optical pumping,SEOP(spin-exchange optical pumping)雷射激發鹼金屬原子的電子躍遷Collision with noble gas atomsMEOP(meta-stability exchange OP)Direct pumping 3He electron to polarize 3He nucleusvia brute force B010T,T10mK這邊我們不討論這種方法,37,Simple optical pumping,s1/2,Bo,p1/2,Light,mj=-1/2,mj=+1/2,2/3,1/3,無法久留於 excited state,38,Depopulation vs.repopulation,ml=-1,ml=0,ml=1,+,-,1/3,1/3,1/3,J=0,J=1,Depopulation,2S1/2,2P1/2,-1/2,+1/2,1/3,2/3,Repopulation,39,Optical pumping(SEOP),有點像是在打彈珠檯!,5s1/2,Bo,5p1/2,(50%),Quenching by N2(50%),794.7 nmD1 transition,collisionalmixing,mj=-1/2,mj=+1/2,+,40,SEOP 1st stage,Laser(795nm)鹼金屬原子蒸氣鹼金屬價電子被極化ns1/2 D1 transition to np1/2Collisional mixing(alkali-metal with 3He)Quenching collision with N2to second stage,41,SEOP 2nd stage,鹼金屬跟鈍氣間collisionTransfer of angular momentumHeavier noble gas(129Xe)Spin relaxation:van der Waals binary collision3HeBinary collision dominates spin relaxationns1/2 D1 transition(continued OP),42,Collisional spin exchange 示意圖,經由碰撞把 Rb spin 轉移到 129Xe 上,Rb,Xe,Xe,Rb,Xe,Rb,43,SEOP buffer gas,Quenching gas(N2 or 4He)Radiation trapping by N2Collisional relaxation 會放出光子光子會被 Rb 吸收造成 Optically de-pumping the atomsThree-body formation(由於凡得瓦力),44,SEOP summary,在低磁場下(1-3 mT)發生原料：N2,Rb(vapor),129Xe or 3He795 nm circular polarized light對鹼金屬價電子極化並 collisional mixing與鈍氣碰撞作電子-核 spin exchangeSpatial diffusion and dark relaxation,45,SEOP 的實驗規劃,Illuminated part of cell,Dark volume,46,MEOP,大約跟SEOP同時發展出來的直接去pumping 3He的電子極化 3He原子核不需要鹼金屬做為媒介在低壓下(1-10 Torr)操作所需時間短(數十秒)vs.SEOP(hours),47,MEOP,1st stage將meta-stable 3S1 state 的He置入容器Optical pumping,=1083nm3S1 transition to 3P0 state電子受到極化 3He 也馬上被極化2nd stage極化的亞穩態原子跟未極化的基態碰撞electron state交換 但不改變核極化,48,MEOP 示意圖,穩態,Meta-stasis,Collision,Meta-stasis,49,MEOP,既然效率高 而且所需核種單純為什麼還花這麼多時間講 SEOP技術上較困難Compression after pumping(100倍)避免在此過程中 lose polarizationMore costly laserLess portable system,50,Wall relaxation,使最終達到 PN的鈍氣變少Shorten HP gas storage time成因Interaction near the surface of cell(主要)高壓鈍氣間的dipole-dipole interactionGradient-induced relaxation(通常可忽略)Suitable coating(Silicone or metallic layer)可以延長 relaxation 的時間,51,3He vs.129Xe,52,Imaging hardware,終於要開始作影像了信號來源是鈍氣 假設1.5 T1H：63.87 MHz3He：48.66 MHz 129Xe：17.67 MHz現有的RF coil 都沒有辦法使用,53,Imaging hardware,雙頻(Dual resonance)共振線圈先用1H 影像作定位再掃瞄其他核種影像Broadband RF amplifier臨床使用的針對 1H的頻帶設計Gradient coil 沒有什麼改變Gradient 強度跟 成反比,54,雙頻共振線圈示意圖,1H+129Xe(NMR 光譜中十分常見),電感(外加),電容,電感(線圈自含),電容,55,Image,主磁場強度與影像強度無關Non-equilibrium imaging90RF pulse 根本沒有辦法使用一作90excitation 就沒辦法回到HP狀態傳統的T1跟T2影像咧？全部失敗!90excitation的EPI 跟Spiral還是可以用,56,150 Gauss 的 3He MRI,老鼠的肺人的肺,Ref.Venkatesh,AK,et al.Magn Reson Imaging 21:773-776(2003),57,1H MRI vs.HP MRI,RF,t,t,Mz,t,Mz,3He,1H,58,Image,因為沒有recovery 所以磁矩只能省著用Small flip angleFLASH 最常見True-FISP 也是可行的ContrastSpin density 為主其他靠對比劑輔助 ex.O2,59,回憶一下 FLASH,連續的 RF excitation,Gp,B1,t,t,.,.,Gs,t,.,Gr,t,.,TR,60,In-vivo T1 relaxation,用鈍氣作超高極化核種的理由但是跟氧氣混合吸入後O2：paramagnetic moleculesTumbling 擾動局部磁場 RF-pulse-likeT1 從數十個小時變成幾秒鐘氧氣所到處 信號下降O2 可作為HP MRI的對比劑,61,鈍氣受到未成對電子磁場干擾,因此順磁性物質一樣可減短 T1,Bo,62,HP MRI反應O2分壓,Ref.Deninger,AJ et al.,Magn Reson Med 47:105-114(2002),3He image,pO2 image,63,臨床上的使用,Ref.Van Beek,EJR et al.,J Megn Reson Imaging 20:540-554(2004),emphysema,normal volunteer,Oxygen-sensitive map,64,Transverse relaxation,Susceptibility dominates T2*3He in the human lung0.1T,T2=8.9 sec(大約跟T1同order)1.5T,T2*=9.4 msec HP gas T2*map當作組織微結構的參數,65,Diffusion Characteristic,Much larger diffusion coefficientWater D=210-5 cm2/s3He=0.86,129Xe=0.14D 太大其實是缺點Interaction of noble gas and N2,O2肺部的 airspace 限制 diffusion 的範圍b values 1-5 s/cm2,66,ADC map,測量 3He 的擴散係數 ADC限制性的擴散反應肺泡微結構肺氣腫(emphysema)患者的 ADC 增加即使健康的吸煙者跟一般normal volunteer也有差異水的擴散 vs.氣體擴散水：看神經纖維氣體：看肺泡微結構,67,Normal volunteer,3He image(ventilation distribution image),ADC map,Ref.Van Beek,EJR et al.,J Megn Reson Imaging 20:540-554(2004),68,Healthy smoker,3He image(ventilation distribution image),ADC map,69,Emphysema patient,3He image(ventilation distribution image),ADC map,70,Ventilation&perfusion,V/Q scan:ventilation-perfusion scanAcute pulmonary embolism3He ventilation 正常Perfusion or MRA 顯現異常Dissolved 129Xe分析 uptake 跟 washout具測量局部血流、cardiac perfusion的潛力信號太弱(gas phase),71,V/Q scan,3He ventilation,Perfusion,Perfusion defect,72,Dynamic image,HP MRI+快速掃瞄觀察氣體進入支氣管、肺部的情況Clinical useventilation 是否異常Normal volunteer vs.COPD,73,Dynamic image,Ref.Mller,HE et al.,Megn Reson Med 47:1029-1051(2002),74,Ref.Van Beek,EJR et al.,J Megn Reson Imaging 20:540-554(2004),75,Ref.Van Beek,EJR et al.,J Megn Reson Imaging 20:540-554(2004),76,Image development,1995/280 x560 x104 m 2002/98x98x468 m,Ref.Mller,HE et al.,Megn Reson Med 47:1029-1051(2002),77,Cystic Fibrosis,FEV1=91%,FEV1=41%,78,Asthma(mild),FEV1=100%,Broncodilator inhaled,79,Summary,HP gas MRI的優點Superior SNRBetter spatial resolution取像速度夠快ApplicationsDiffusion imagingV/Q scan我們看到的例子都跟lung有關,80,Extension,只要有空腔的地方都能使用這項技術HP的核種不見得只能用鈍氣13C,15N等不見得只能用氣體溶解在血液的鈍氣用micro-bubble包裝鈍氣時間不夠 所以只好略過,81,終於到最後一頁,有問題嗎？我盡量回答，雖然我也不見得懂=.=假如有興趣看其他參考資料，下一頁都有列,82,References,Mller,HE et al.,MRI of the lungs using hyperpolarized noble gas.Megn Reson Med 47:1029-1051(2002)Van Beek,EJR et al.,Functional MRI of the lung using hyperpolarized 3-helium gas.J Megn Reson Imaging 20:540-554(2004)Deninger,AJ et al.,Assessment of a single-acquisition imaging sequence for oxygen-sensitive 3He-MRI.Magn Reson Med 47:105-114(2002)Venkatesh,AK,et al.,MRI of the lung gas-space at very low field using hyperpolarized noble gases.,Magn Reson Imaging 21:773-776(2003)Walker,TG et al.,Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei.Rev Mod Phys 69(2):629-642(1997)Appelt,S et al.,Theory of spin-exchange optical pumping of 3He and 129 Xe.Phys Rev A 58(2):1412-1439(1998),83,Supplement Sodium Zeeman effect,Energy(eV),Weak magnetic field applied,No field,No field,Weak magnetic field,3s1/2,3p1/2,3p3/2,Spin-orbit splitting,-5.14,Ref.http:/hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/quantum/sodzee.html,mj=-1/2,mj=+1/2,84,Supplement Selection rule,l=1;ml=0,1電子transition跟photon有關 angular momentum change=1ms=0j=0,1,85,Supplement D1&D2 transition,D1 transition,D2 transition,32P3/2,32P1/2,32S1/2,Ref.Happer,W.Rev Mod Phys 44:169-249(1972),86,Supplement Equations,3He nuclear polarization,se:spin exchange rate(as large as possible):alkali-metal electron spin polarization,Longitudinal relaxation,In hyper-polarization,MzM0,