2019-Hyperpolarized Gas MRI超高极化核种磁振造影-文档资料
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Pumping)
Imaging 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
主磁場 規則排列
5
所謂的排列規則也不見得很整齊
spin up
氫原子核 (小磁鐵)
spin down
淨磁矩 =
磁化向量大小 = 向量和 ~ 上下人口差
0
±1/2
2
2p 2 1
-1,0,1
±1/2
6
3s 3 0
0
±1/2
2
3p 3 1
-1,0,1
±1/2
6
3d 3 2 -2,-1,0,1,2 ±1/2
10
填入電子的順序→能量低的開始
note: n + l , n 大者為高能量
27
跟元素週期表對照一下
s 我們拿這幾種元素來看看
p
He
d
Rb
Xe
Cs
f
35
Optical pumping
SEOP (spin-exchange optical pumping)
好像不容易想像 但是確實發生 Schrödinger equation and quantized
energy level 先從熟悉的東西來看
18
氫原子電子雲
Wave function
Variable separation
19
Schrödinger equation
Don’t be afraid… only kinetic energy + potential energy
8
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
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
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
34
Have a rest here? 發現我們好像還沒進入正題….
ex. 5 s1/2
Spin Momentum
Total angular momentum 主量子數
23
Spectroscopic notation
一種表示原子的電子分佈狀態方式
L li;
S s i
i
i
L=0 → S state; L=1 → P state (以此類推)
15
回憶一下 Relaxation mechanism
Bo
H2O
弛緩不外是原子、電子、或分子間的作用
16
鈍氣是單原子分子
Bo
鄰近原子作用少，弛緩極慢
17
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
(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 !
2
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
Electron
312.04 K 961 K [Kr] 5s1
ZA
37 83 37 85 37 87
Nuclear Data
Atomic Mass (u)
82.915143 84.911794 86.909187
Natural Abund.
… 0.72165 0.27835
Half-life
86.2d stable stable
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, …
25
既然要拿來作過極化
Nucleus spin number ≠ 0
鹼金屬Nucleus spin number 無所謂
22
Total angular momentum
Spin quantum number
electron: s = ± 1/2
Total momentum quantum number
j = l + s = l ± 1/2 (for electron)
Orbital Momentum
Melting point 161.36 K Boiling point 165.03 K
Electron [Kr] 4d105s25p6
ZA
54 127 54 129 54 131 54 133
Nuclear Data
Atomic Mass (u)
126.905182 128.904780 130.905072 132.905889
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)
14
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
Advanced MRI – Topic 8
Hyperpolarized Gas MRI
超高極化核種磁振造影
Shih, Yi-Yu
2019/04/26
1
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
因為是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
26
還記得電子軌域嗎？
The “Aufbau” Principle
state n l
ml
s
#e
1s 1 0
0
±1/2
2
2s 2 0
或已經忘記的?mri的信號?源?簡單的?子物??hyperpolarization?seopspinexchangeopticalpumping?meopmetastasisexchangeopticalpumping?imagingandapplication4人體內mri的信號?源器官內的原子核?一定要是氫酷似小磁鐵5外加磁場對氫原子核的影響?規則排?規則排?6所謂的排?規則也??得很整齊磁化向?大小向?和上下人口差spinupspindown7根據boltzmanndistribution除?主磁場之外沒有一項可以?動ektespinupspindownehboh
(r ,,) R (r )P ( )F ( )
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
21
Quantum number
Principal quantum number (主量子數)
301.5 K 944 K [Xe] 6s1
Nuclear Data
Z A Atomic Mass (u)
55 133
132.90544
Natural Half-life Abund.
1.00000 stable
Spin 7/2
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)
23
3.01603
1.38x10-6 stable
1/2
24
4.00260
.999999 stable
0
31
Helium (He) & Xenon (Xe)
Xenon
Atomic number Atomic mass Atomic radius
Atomic Data
54 131.3 u 1.24 A
→ Mobile High Resolution Xenon Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in the Earth's Magnetic Field (‘05)
11
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
6
根據 Boltzmann Distribution
spin up 人口數 spin down 人口數
DE
e kT
=
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
除了主磁場之外，沒有一項可以更動
Natural Abund.
…
0.264 0.212
…
Half-life
36.2d stable stable 5.25d
Spin
1/2 1/2 3/2 3/2
32
Zeeman effect
spin down
spin down
spin up
spin up
Bo
外加磁場造成「不同自旋方向」能帶分離
33
Spin
5/2 5/2 5/2
29
Rubidium (Rb) & Cesium (Cs)
Cesium
Atomic Data
Atomic number
55
Melting point
Atomic mass 132.9054 u Boiling point
Atomic radius 2.65 A
Electron
it2m 2 r2V
What’s Hamiltonian?
i d H
dt
Those good friends will appear again at the end of this semester
20
Schrödinger equation
Wave function → separate variables
Ref. chemicalelements/
28
Rubidium (Rb) & Cesium (Cs)
Rubidium
Atomic Data
Atomic number 37 Atomic mass 85.4678 u Atomic radius 2.98 A
Melting point Boiling point
在雙電子的原子中 S=0 or 1 2S+1LJ 來表示原子的state 而
JLS;
基態的6C →3P0
24
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
Helium
Atomic Data
Atomic number Atomic mass Atomic radius
2 4.0026 u
0.49 A
Melting point Boiling point
Electron
0.95 K 4.215 K
1s2
Nuclear Data
Z A Atomic Mass (u) Natural Half-life Spin Abund.
9
把上下人口的差異變大?
spin up
氫原子核 (小磁鐵)
spin down
淨磁矩 =
可不可以把一些高能階原子核送到低能階 ?
10
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
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
氫原子核 (小磁鐵)
暫態 vs. 平衡態
人為操作 淨磁矩 =
氫原子核 (小磁鐵)
淨磁矩 =
時間一久，超高極化便消失了
13
How to do ?
選擇鈍氣作為超高極化核種 Laser optical pumping
SEOP & MEOP Explained by quຫໍສະໝຸດ ntum physics7
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
Imaging 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
主磁場 規則排列
5
所謂的排列規則也不見得很整齊
spin up
氫原子核 (小磁鐵)
spin down
淨磁矩 =
磁化向量大小 = 向量和 ~ 上下人口差
0
±1/2
2
2p 2 1
-1,0,1
±1/2
6
3s 3 0
0
±1/2
2
3p 3 1
-1,0,1
±1/2
6
3d 3 2 -2,-1,0,1,2 ±1/2
10
填入電子的順序→能量低的開始
note: n + l , n 大者為高能量
27
跟元素週期表對照一下
s 我們拿這幾種元素來看看
p
He
d
Rb
Xe
Cs
f
35
Optical pumping
SEOP (spin-exchange optical pumping)
好像不容易想像 但是確實發生 Schrödinger equation and quantized
energy level 先從熟悉的東西來看
18
氫原子電子雲
Wave function
Variable separation
19
Schrödinger equation
Don’t be afraid… only kinetic energy + potential energy
8
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
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
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
34
Have a rest here? 發現我們好像還沒進入正題….
ex. 5 s1/2
Spin Momentum
Total angular momentum 主量子數
23
Spectroscopic notation
一種表示原子的電子分佈狀態方式
L li;
S s i
i
i
L=0 → S state; L=1 → P state (以此類推)
15
回憶一下 Relaxation mechanism
Bo
H2O
弛緩不外是原子、電子、或分子間的作用
16
鈍氣是單原子分子
Bo
鄰近原子作用少，弛緩極慢
17
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
(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 !
2
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
Electron
312.04 K 961 K [Kr] 5s1
ZA
37 83 37 85 37 87
Nuclear Data
Atomic Mass (u)
82.915143 84.911794 86.909187
Natural Abund.
… 0.72165 0.27835
Half-life
86.2d stable stable
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, …
25
既然要拿來作過極化
Nucleus spin number ≠ 0
鹼金屬Nucleus spin number 無所謂
22
Total angular momentum
Spin quantum number
electron: s = ± 1/2
Total momentum quantum number
j = l + s = l ± 1/2 (for electron)
Orbital Momentum
Melting point 161.36 K Boiling point 165.03 K
Electron [Kr] 4d105s25p6
ZA
54 127 54 129 54 131 54 133
Nuclear Data
Atomic Mass (u)
126.905182 128.904780 130.905072 132.905889
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)
14
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
Advanced MRI – Topic 8
Hyperpolarized Gas MRI
超高極化核種磁振造影
Shih, Yi-Yu
2019/04/26
1
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
因為是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
26
還記得電子軌域嗎？
The “Aufbau” Principle
state n l
ml
s
#e
1s 1 0
0
±1/2
2
2s 2 0
或已經忘記的?mri的信號?源?簡單的?子物??hyperpolarization?seopspinexchangeopticalpumping?meopmetastasisexchangeopticalpumping?imagingandapplication4人體內mri的信號?源器官內的原子核?一定要是氫酷似小磁鐵5外加磁場對氫原子核的影響?規則排?規則排?6所謂的排?規則也??得很整齊磁化向?大小向?和上下人口差spinupspindown7根據boltzmanndistribution除?主磁場之外沒有一項可以?動ektespinupspindownehboh
(r ,,) R (r )P ( )F ( )
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
21
Quantum number
Principal quantum number (主量子數)
301.5 K 944 K [Xe] 6s1
Nuclear Data
Z A Atomic Mass (u)
55 133
132.90544
Natural Half-life Abund.
1.00000 stable
Spin 7/2
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)
23
3.01603
1.38x10-6 stable
1/2
24
4.00260
.999999 stable
0
31
Helium (He) & Xenon (Xe)
Xenon
Atomic number Atomic mass Atomic radius
Atomic Data
54 131.3 u 1.24 A
→ Mobile High Resolution Xenon Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in the Earth's Magnetic Field (‘05)
11
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
6
根據 Boltzmann Distribution
spin up 人口數 spin down 人口數
DE
e kT
=
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
除了主磁場之外，沒有一項可以更動
Natural Abund.
…
0.264 0.212
…
Half-life
36.2d stable stable 5.25d
Spin
1/2 1/2 3/2 3/2
32
Zeeman effect
spin down
spin down
spin up
spin up
Bo
外加磁場造成「不同自旋方向」能帶分離
33
Spin
5/2 5/2 5/2
29
Rubidium (Rb) & Cesium (Cs)
Cesium
Atomic Data
Atomic number
55
Melting point
Atomic mass 132.9054 u Boiling point
Atomic radius 2.65 A
Electron
it2m 2 r2V
What’s Hamiltonian?
i d H
dt
Those good friends will appear again at the end of this semester
20
Schrödinger equation
Wave function → separate variables
Ref. chemicalelements/
28
Rubidium (Rb) & Cesium (Cs)
Rubidium
Atomic Data
Atomic number 37 Atomic mass 85.4678 u Atomic radius 2.98 A
Melting point Boiling point
在雙電子的原子中 S=0 or 1 2S+1LJ 來表示原子的state 而
JLS;
基態的6C →3P0
24
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
Helium
Atomic Data
Atomic number Atomic mass Atomic radius
2 4.0026 u
0.49 A
Melting point Boiling point
Electron
0.95 K 4.215 K
1s2
Nuclear Data
Z A Atomic Mass (u) Natural Half-life Spin Abund.
9
把上下人口的差異變大?
spin up
氫原子核 (小磁鐵)
spin down
淨磁矩 =
可不可以把一些高能階原子核送到低能階 ?
10
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
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
氫原子核 (小磁鐵)
暫態 vs. 平衡態
人為操作 淨磁矩 =
氫原子核 (小磁鐵)
淨磁矩 =
時間一久，超高極化便消失了
13
How to do ?
選擇鈍氣作為超高極化核種 Laser optical pumping
SEOP & MEOP Explained by quຫໍສະໝຸດ ntum physics7
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