《HyperpolarizedGasMRI超高极化核种磁振造影》-课件设计（公开）.ppt

Hyperpolarized Gas MRI超高極化核種磁振造影 Shih, Yi-Yu 2006/04/26 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 Let’s go ! 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) MEOP (Metastasis Exchange Optical Pumping) Imaging and Application 人體內MRI的信號來源 外加磁場對氫原子核的影響 所謂的排列規則也不見得很整齊 根據 Boltzmann Distribution 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 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 把上下人口的差異變大? 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) 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 暫態 vs. 平衡態 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 →碰撞轉移到鈍氣原子核 吸入鈍氣作 MRI (以肺部影像為例) 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 回憶一下 Relaxation mechanism 鈍氣是單原子分子 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 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 Schr?dinger equation and quantized energy level 先從熟悉的東西來看 氫原子電子雲 Schr?dinger equation Schr?dinger equation 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-1, l Spin quantum number electron: s = ± 1/2 nucleus: 有點複雜 Total angular momentum Spin quantum number electron: s = ± 1/2 Total momentum quantum number j = l + s = l ± 1/2 (for electron) Spectroscopic notation 一種表示原子的電子分佈狀態方式 Nucleus spin number 原子核 包含質子跟中子 → 看成一起自旋 spin number: i De