HyperpolarizedGasMRI超高极化核种磁振造影.ppt

Hyperpolarized Gas MRI 超高極化核種磁振造影 Shih, Yi-Yu 2006/04/26 Advanced MRI Topic 8 1 Before we start this topic n前人種樹，後人乘涼 n各位物理狂熱者請手下留情 n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 =.=) n一個沒有實戰經驗的 topic nLets go ! 2 Outline n複習一些我們已經知道或已經忘記的 nMRI 的信號來源 n簡單的量子物理 nHyper-polarization nSEOP (Spin Exchange Optical Pumping) nMEOP (Metastasis Exchange Optical Pumping) nImaging and Application 3 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 4 外加磁場對氫原子核的影響 不規則排列規則排列 主磁場 5 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 6 根據 Boltzmann Distribution 除了主磁場之外，沒有一項可以更動 DE k T e 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 7 Brief review n1.5 T 地磁的 30,000 倍 n氫原子的排列依然不大整齊 ( 5 ppm差異) n離體表越遠 磁性越小 n但是人體含約70%的水 n體內的 protons 相當多 n18g 的水含有 2 x 6.02 x 1023 氫原子核 n數量上依舊相當可觀 8 What is hyper-polarization? n打破原本的 Boltzmann Distribution n增加 state 之間的人口差異 n淨磁矩正比於人口差異 MR 信號成比例增加 n從 5 ppm difference 50 ppm difference 信號增加10倍 nfMRI, MRS的難度降低 9 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 10 Why hyper-polarization? n提高 SNR ! n不是藉由增加主磁場強度得到高SNR影像 n要是這樣 主磁場強度豈不誇張的大 n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) 11 即使可以達到 hyper-polarization n這樣的狀態也只是暫時的 n最終還是要恢復平衡態 Boltzmann distribution n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 12 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 13 How to do ? n選擇鈍氣作為超高極化核種 nLaser optical pumping nSEOP L=1 P state (以此類推) 在雙電子的原子中 S=0 or 1 2S+1LJ 來表示原子的state 而 基態的6C 3P0 24 Nucleus spin number n原子核 n包含質子跟中子 看成一起自旋 nspin number: i nDetermine nucleus spin number n質子(偶) + 中子(偶) i = 0 n質子(奇) + 中子(奇) i = 1, 2 n質子 + 中子 (奇) i = 1/2, 3/2, 25 既然要拿來作過極化 nNucleus spin number 0 n鹼金屬Nucleus spin number 無所謂 n因為是要作電子自旋的激發 nNoble gas 最好是 1/2 nHalf-life 應該要夠長 (最好stable) n自然界的含量要夠高 n假如有現成可用的當然最好 26 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 statenlmls#e 1s1001/22 2s2001/22 2p21-1,0,11/26 3s3001/22 3p31-1,0,11/26 3d32-2,-1,0,1,21/210 The “Aufbau” Principle 27 跟元素週期表對照一下 s p d f He XeRb Cs 我們拿這幾種元素來看看 Ref. / 28 Rubidium (Rb) & Cesium (Cs) Atomic number37Melting point312.04 K Atomic mass85.4678 uBoiling point961 K Atomic radius2.98 AElectronKr 5s1 RubidiumAtomic Data Nuclear Data ZAAtomic Mass (u)Natural Abund. Half-lifeSpin 37 8382.91514386.2d5/2 37 8584.9117940.72165stable5/2 37 8786.9091870.27835stable5/2 29 Rubidium (Rb) & Cesium (Cs) Atomic number55Melting point301.5 K Atomic mass132.9054 uBoiling point944 K Atomic radius2.65 AElectronXe 6s1 CesiumAtomic Data Nuclear Data ZAAtomic Mass (u)Natural Abund. Half-lifeSpin 55133132.905441.00000stable7/2 雖然有很多種同位素，但是能用的就只有這一種 30 Helium (He) & Xenon (Xe) Atomic number2Melting point0.95 K Atomic mass4.0026 uBoiling point4.215 K Atomic radius0.49 AElectron1s2 HeliumAtomic Data Nuclear Data ZAAtomic Mass (u)Natural Abund. Half-lifeSpin 233.016031.38x10-6stable1/2 244.00260.999999stable0 31 Helium (He) & Xenon (Xe) Atomic number54Melting point161.36 K Atomic mass131.3 uBoiling point165.03 K Atomic radius1.24 AElectronKr 4d105s25p6 XenonAtomic Data Nuclear Data ZAAtomic Mass (u)Natural Abund. Half-lifeSpin 54127126.905182 36.2d1/2 54129128.9047800.264stable1/2 54131130.9050720.212stable3/2 54133132.9058895.25d3/2 32 Zeeman effect 外加磁場造成不同自旋方向能帶分離 spin up spin down Bo spin down spin up 33 Brief summary n作超高極化可以提升影像的SNR n即使proton很少的地方也無所謂 nLung imaging n使用鈍氣的理由：relaxation n使用spin=1/2的鈍氣核種的理由：state=2 n注意spin-exchange：從電子到核 34 Have a rest here? 發現我們好像還沒進入正題. 35 Optical pumping nSEOP (spin-exchange optical pumping) n雷射激發鹼金屬原子的電子躍遷 nCollision with noble gas atoms nMEOP (meta-stability exchange OP) nDirect pumping 3He electron to polarize 3He nucleus nvia brute force n B010T, T binary collision n 3He nBinary collision dominates spin relaxation nns1/2 D1 transition (continued OP) 41 Collisional spin exchange 示意圖 經由碰撞把 Rb spin 轉移到 129Xe 上 Rb Xe XeRb XeRb N2 N2 42 SEOP buffer gas nQuenching gas (N2 or 4He) nRadiation trapping by N2 nCollisional relaxation 會放出光子 n光子會被 Rb 吸收 n造成 Optically de-pumping the atoms nThree-body formation (由於凡得瓦力) 43 SEOP summary n在低磁場下(1-3 mT) 發生 n原料：N2, Rb (vapor), 129Xe or 3He n795 nm circular polarized light n對鹼金屬價電子極化並 collisional mixing n與鈍氣碰撞作電子-核 spin exchange nSpatial diffusion and dark relaxation 44 SEOP 的實驗規劃 Frequency synthesizer NMR Bridge Low-noise preamplifier Lock-in amplifier B010G Reference Circularly polarized pumping light =794.7nm Illuminated part of cell Dark volume 45 MEOP n大約跟SEOP同時發展出來的 n直接去pumping 3He的電子 n極化 3He原子核 n不需要鹼金屬做為媒介 n在低壓下(1-10 Torr)操作 n所需時間短(數十秒) vs. SEOP (hours) 46 MEOP n1st stage n將meta-stable 3S1 state 的He置入容器 nOptical pumping, =1083nm n 3S1 transition to 3P0 state n電子受到極化 3He 也馬上被極化 n2nd stage n極化的亞穩態原子跟未極化的基態碰撞 nelectron state交換 但不改變核極化 47 MEOP 示意圖 He ? He 穩態 Meta-stasis He He He He Collision Meta-stasis He He He He 48 MEOP n既然效率高 而且所需核種單純 n為什麼還花這麼多時間講 SEOP n技術上較困難 nCompression after pumping (100倍) n避免在此過程中 lose polarization nMore costly laser nLess portable system 49 Wall relaxation n使最終達到 PN的鈍氣變少 nShorten HP gas storage time n成因 nInteraction near the surface of cell (主要) n高壓鈍氣間的dipole-dipole interaction nGradient-induced relaxation (通常可忽略) nSuitable coating (Silicone or metallic layer)可以延長 relaxation 的時間 50 3He vs. 129Xe (SEOP) 3He129Xe Pumping timehrsmins Wall Relaxationtens of hrshrs Cell Pressure8-10 atm2-3 atm Temperature170-200 oC95 oC Gas Cost100 USD/L700 USD/L Gyromagnetic Ratio (MHzT- 1) 32.4311.78 Biological EffectSafeAnesthetic T1 (Pure Gas)744 hrs55 hrs O2 relaxavity time k (S-1Pa- 1) 3.85 x 10-63.73 x 10-6 Self-diffusion coefficient (cm2s-1) 2.050.061 Blood Solubility (L)0.00850.17 51 Imaging hardware n終於要開始作影像了 n信號來源是鈍氣 假設1.5 T n 1H：63.87 MHz n 3He：48.66 MHz n 129Xe：17.67 MHz n現有的RF coil 都沒有辦法使用 3He (32.43) (42.58) 1H (11.78) 129Xe 13C (10.71) (MHzT-1) 52 Imaging hardware n雙頻(Dual resonance)共振線圈 n先用1H 影像作定位 n再掃瞄其他核種影像 nBroadband RF amplifier n臨床使用的針對 1H的頻帶設計 nGradient coil 沒有什麼改變 nGradient 強度跟 成反比 53 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 129Xe (11.78) (42.58) 1H (MHzT-1) 54 Image n主磁場強度與影像強度無關 nNon-equilibrium imaging n90RF pulse 根本沒有辦法使用 n一作90excitation 就沒辦法回到HP狀態 n傳統的T1跟T2影像咧？ n全部失敗 ! n90excitation的EPI 跟Spiral還是可以用 55 150 Gauss 的 3He MRI 老鼠的肺人的肺 Ref. Venkatesh, AK, et al. Magn Reson Imaging 21:773-776 (2003) 56 1H MRI vs. HP MRI RFt t Mz t Mz 3He 1H 57 Image n因為沒有recovery 所以磁矩只能省著用 nSmall flip angle nFLASH 最常見 nTrue-FISP 也是可行的 nContrast nSpin density 為主 n其他靠對比劑輔助 ex. O2 58 回憶一下 FLASH 連續的 RF excitation Gp B1 t t . . Gs t. Gr t. TR 59 In-vivo T1 relaxation n用鈍氣作超高極化核種的理由 n但是跟氧氣混合吸入後 nO2 ：paramagnetic molecules nTumbling 擾動局部磁場 RF-pulse-like nT1 從數十個小時變成幾秒鐘 n氧氣所到處 信號下降 nO2 可作為HP MRI的對比劑 60 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 61 HP MRI反應O2分壓 Ref. Deninger, AJ et al., Magn Reson Med 47:105-114 (2002) 3He image pO2 image 62 臨床上的使用 Ref. Van Beek, EJR et al., J Megn Reson Imaging 20: 540-554 (2004) emphysemanormal volunteer Oxygen-sensitive map 63 Transverse relaxation nSusceptibility dominates T2* n 3He in the human lung n0.1T, T2= 8.9 sec (大約跟T1同order) n1.5T, T2*= 9.4 msec nHP gas T2* map n當作組織微結構的參數 64 Diffusion Characteristic nMuch larger diffusion coefficient nWater D= 210-5 cm2/s n 3He= 0.86, 129Xe= 0.14 nD 太大其實是缺點 nInte