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1、1,Hyperpolarized Gas MRI 超高極化核種磁振造影,Shih, Yi-Yu 2006/04/26,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 topic Lets 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-polarization SEOP (Spin Exchange Optical Pumping
2、) 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
3、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
4、 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 Eart
5、hs 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 pumping SEOP & MEOP Explained by quantum physics 將電子過極化 碰撞轉移到鈍
6、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 indi
7、rect pumping MEOP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
8、 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, 3 Orbital 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
9、-1, l Spin quantum number electron: s = 1/2 nucleus: 有點複雜,23,Total angular momentum,Spin quantum number electron: s = 1/2 Total momentum quantum number j = 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
10、 S state; 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 3P0,25,Nucleus spin number,原子核 包含質子跟中子 看成一起自旋 spin number: i Determine 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
11、要作電子自旋的激發 Noble gas 最好是 1/2 Half-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:/ (Rb) & Cesium (Cs),Rubidium,Atomic Data,Nuclear Data,30,Rubidium (Rb) & Cesium (Cs),Cesium,Atomic Data,Nuclear Data
12、,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
13、 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 atoms MEOP (meta-stability exchange OP) Direct pumping 3He electron to polarize 3He nucleus via 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,
14、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 nm D1 transition,collisional mixin
15、g,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 np1/2 Collisional mixing (alkali-metal with 3He) Quenching collision with N2 to second stage,41,SEOP 2nd stage,鹼金屬跟鈍氣間collision Transfer of angular momentum Heavier noble gas (129Xe) Spin relaxation: van d
16、er Waals binary collision 3He Binary collision dominates spin relaxation ns1/2 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 N2 Collisional relaxation 會放出光子 光子會被 Rb 吸收 造成 Op
17、tically de-pumping the atoms Three-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 3He 795 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 exchange Spatial diffusion and dark relaxation,45,SEOP 的實驗規劃,Illuminated part of cell,Dark volume,
18、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, =1083nm 3S1 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
19、-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 polarization More costly laser Less 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
20、 interaction Gradient-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 T 1H：63.87 MHz 3He：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
21、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 imaging 90RF 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 3
22、He 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 angle FLASH 最常見 True-FISP 也是可行的 Contrast Spin 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,.,T
23、R,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 molecules Tumbling 擾動局部磁場 RF-pulse-like T1 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. Va
24、n 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 lung 0.1T, 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 large
25、r diffusion coefficient Water D= 210-5 cm2/s 3He= 0.86, 129Xe= 0.14 D 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,Nor
26、mal 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,
27、V/Q scan: ventilation-perfusion scan Acute pulmonary embolism 3He 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 use
28、ventilation 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 / 280x560x104 m
29、 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 SNR Better spatial resolution 取像速度夠快 Applications Diffusion imaging V/Q scan 我們看到的例子都跟lung有關,80
30、,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., Funct
31、ional 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
32、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,Suppleme
33、nt 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 ang
34、ular momentum change = 1 ms= 0 j= 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,