Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР. Биомедицинские приложения Часть 2 Весенний семестр 2015 -го года Лекции для биофизиков биофака МГУ Проф. Пирогов Юрий Андреевич Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Физический факультет Учебно-научный межфакультетский и междисциплинарный центр магнитной томографии и спектроскопии (ЦМТС МГУ)
Содержание • Медицинская физика – что это такое? • Томография и радиоспектроскопия как методы диагностики и изучения живых объектов и систем. • Томографические методы. • МРТ – новые методики и кроссдисциплинарные проекты • Радиоспектроскопия. • Перспективы
МРТ эксперименты на малых животных Внешний вид 7 -Тл биоспектротомографа Bruker Bio. Spec 70/30 URS.
Миграция стволовых клеток в зону поражения (эксперимент совместно с группой В. И. Скворцовой) Визуализация процесса терапии инсульта головного мозга крысы на 7 Тл томографе Bio. Spec 70/30 USR Стрелки указывают на очаг ишемии 3 дня после окклюзии средней мозговой артерии Очаг ишемии купирован стволовыми клетками, предварительно введенными в здоровое полушарие головного мозга 7 дней после окклюзии средней мозговой артерии Очаг ишемии подавлен стволовыми клетками 21 день после окклюзии средней мозговой артерии
Glioma С 6, в/в липосомы with Gd До введения препарата с контрастом 16 часов после контрастирования Лаборатория академика РАМН В. П. Чехонина
МРТ-динамика роста глиомы при терапии специфическими (антитела MAb. E 2 Cx 43) и неспецифическими препаратами (контроль) в течение 27 суток после имплантации (лаборатория академика В. П. Чехонина)
Магнитная гипертермия опухолей мыши (проф. А. Ю. Барышников, д. фарм. н. Н. А. Брусенцов, РОНЦ)
Самка мыши С 57 Bl/6 j на 13 -й день после инокуляции 106 клеток аденокарциномы молочной железы Ac 755: бугристая подкожная опухоль диаметром более 300 мм 3 в области первого и второго сосочков молочной 8 железы (белые стрелки).
Самка мыши С 57 Bl/6 j при полной регрессии аденокарциномы молочной железы Ac 755 9
Pre-contrast, 14: 49, Day 0 Post-contrast, 12: 34, Day 1 Black blood sequence, FLASH, TR=15 ms, TE=1, 6 ms, TI=150 ms, FA=20, NE
Коронарная и аксиальная проекции сердца крысы (ЦМТС МГУ, инъекционная анестезия, контактное отведение сигналов) Лаборатория ангиогенеза ФФМ МГУ и Кардиоцентра, проф. Е. В. Парфенова
МРТ изображения подмышечных лимфоузлов мышей с привитой опухолью S 37 на различные сроки после инокуляции (НИОИ им. Герцена, акад. РАМН В. И. Чиссов, проф. Р. И. Якубовская). Лимфоузлы МРТ мышей с выявленными лифоузлами Срок после инокуляции опухоли, сутки 5 26 Подмышечные Левый Правый
МРТ наблюдение бляшек Альцгеймера у мышей (ИМБ РАН, акад. РАН А. А. Макаров, ФФМ МГУ, проф. В. И. Польшаков) При болезни Альцгеймера у мышей в головном мозге формируются амилоидные бляшки - преимущественно в гиппокампе. С помощью МРТ получены T 2 -ВИ головного мозга мышей – в гиппокампе найдены гистологически подтвержденные бляшки, которые отмечены желтым кружком на следующем слайде. TR = 9000 ms TE = 67, 7 ms Matrix = 300 x 300 FOV: 2. 12 x 2. 18 Slice: 0. 38 (0. 48) mm Time: 33 min 18 sec
1 срез
AVANCE-II 400 Bruker: Solid-Statte NMR spectrometer Создание и изучение иммобилизованных металлокомлексов и ионных жидкостей на мезопористых материалах. Мезопористый силикалит MCM-41 13 C{1 H} MAS NMR Диаметр пор : 2, 1 -3, 0 нм 300 CH 3 Cl- N + N Cl- Pd 2+ Cl- O 100 0 29 Si MAS NMR N + N Si O 200 Si O O 0 -50 MCM-41 - Si. O 2 Контроль структуры новых материалов -100 -150
Practical work with students
Метод МРТ основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Большинство атомных ядер обладает магнитными моментами. Самый большой магнитный момент имеют протоны - ядра атомов водорода, содержащихся в органических молекулах и в молекулах воды, входящих в состав всех живых организмов. В постоянном магнитном поле магнитные моменты ядер, подобно стрелке компаса в магнитном поле Земли, ориентируются вдоль магнитных силовых линий. При воздействии радиочастотных импульсов ядра поглощают их энергию, меняя свою ориентацию. Возникающий при этом в приемной катушке прибора сигнал поглощения регистрируется в ЯМР. Показанные выше томограммы зарегистрированы на протонах. Интенсивность сигнала пропорциональна числу магнитных ядер в данном объеме образца, а его другие характеристики определяются также и тем, в каких молекулярных структурах протоны находятся.
BRUKER Bio. Spec 7. 0 T (Germany)
Bio-Spectral Scanner Bruker Bio. Spec 70/30 URS
Dynamics of rat brain hematoma after DOT 2 therapy (Academician Veronika I. Skvortsova, Health Minister of Russia) 1 -st day after stroke (V=0, 139 cм 3) 4 -th day after one (V=0, 115 cм 3) 8 -th day after one (V=0, 083 cм 3)
Stem cell migration to the zone of lesion (academician Veronika I. Skvortsova) 3 days after occlusion of the middle brain artery 7 days after one
Stem cell migration to the zone of lesion 14 days after one 21 days after one
Glioma С 6, intravenous liposomes with Gd Before liposoma injection 16 hours after injection Laboratory of academician Vladimir P. Chekhonin
MRI dynamics of glioma grow after therapy by specific (MAb. E 2 Cx 43) and non-specific (control) preparates during 27 days after tumor C 6 implantation (laboratory of V. P. Chekhonin)
Для разработки мультиядерных МРТ методик были созданы катушки для получения ЯМР сигналов от тяжелых ядер (2 D, 13 C, 31 P, 35 Cl) 35 Cl 2 D 31 P 2 D 13 C Коллектив ЦМТС МГУ представляет лабораторию, обладающую МР-томографами (медицинский томограф и биоспектротомограф), способными регистрировать МРТизображения не только от протонов, но и от более тяжелых ядер. Ларморовы частоты в поле 0, 5 Тл: 2 D: 3, 2 МГц; 13 C: 5, 3 МГц; 31 P: 8, 5 МГц; 35 Cl: 28, 1 МГц. Ларморовы частоты в поле 7 Тл: 2 D: 46, 1 МГц; 13 C: 75, 5 МГц; 31 P: 121, 5 МГц; 35 Cl: 28, 1 МГц.
Local P 31 spectroscopy in vivo ATP PCr PCr γ α PME γ β γ α PME β PDE Pi Pi 0 Chemical shift (ppm) -10 -20 10 α PME β PDE 10 ATP 0 Chemical shift (ppm) -10 -20 10 0 -10 Chemical shift (ppm) Spectra 31 P after invasion of glioma: in 0, 7, 14 days. Metabolites: PME, Pi, PDE, Pcr, ATP-α, β, γ). -20
C 13 spectroscopy in vivo D-GLUCOSE δ-ALA D-GLUCOSE (CH 2)n C 2 -5 C 6 C 1 O=C-OH C 1 H-C=C-H CH 3 CH 2 -O CH-O 100 80 60 Chemical shift (ppm) 40 20 100 80 60 40 Chemical shift (ppm) Spectra 13 C from rat head: (a)– after δ-ALA injection (aminolevulin acid) (b) and (c) — after glyucose injection double enriched by 13 C atoms for glioma lesion and in norm. 20
Ischemia of rat brain A B C D T 2 image of rat brain (pulse sequence RARE); A, B, C, D: immediatly, 2, 7, and 14 days after occlusion of the middle brain artery T 2 image of rat brain, the MRI signal reading region is marked by square
Local 1 H NMR spectroscopy of ischemia formations A B NAA Cr Lac C Cho Lip Lac Lip NAA Cr NAA Cho Lac Lip Cr 4 3 ppm 2 1 Local 1 H spectra in the ischemia region immediately, 7, and 14 days after occlusion of the middle brain artery respectively
Diagram of temperature measurement in cerebral ischemia rats
Spectra of ischemic area
The temperature in the area of ischemia as a result of the spectral measurements Graph of temperature changes in the area of ischemia during exercise. Points A is the temperature in the area of ischemia, calculated according to the formula; points B - temperature readings of the rectal temperature sensor
Contact measurements-1
Contact measurements -2
Development of MRI on nuclei 19 F using drug perfluorane (Perftoran)
Some characteristics of magnetic nuclei. Nucleus 1 H 13 C 17 O 19 F 23 Na 31 P Gyromagnetic Spin quantum relation (MHz/T) numer 42, 6 10, 7 5, 8 40, 0 11, 3 17, 2 1/2 5/2 1/2 3/2 1/2 Natural content in %% Relative sensitivity 99 1, 1 0, 1 100 100 1. 0 0, 016 0, 029 0, 83 0, 093 0, 07
Perfluorocarbons – compounds with unique properties Perfluorocarbons (PFCs) are biologically inert and not subjected to metabolism in vivo. They dissolve large amounts of gas (50% v/v O 2, 150% CO 2). Mouse in a glass with the PFC can breathe dissolved oxygen in it for a few hours. Perfluorane-water Micro. Emulsion PFCs, stabilized special surfactants (droplet size 80 -100 nm), a blood plasma substitute, who saved the lives of hundreds woundeds during the war in Afghanistan. Clinical application of perfluorane is permitted by Ministry of Health. It is produced in the industry. A large magnetic moment of fluorine-19 nucleus and its 100% natural content enable the use of PFCs in order to create a new type of MRI with application of PFCs.
19 F-NMR 1 H NS=1 7 Тл 19 F NS=1 NS=256 DE=1 ms SFO 1 = 300, 2670000 MHz SFO 1 = 282, 5116953 MHz P 180(0 d. B) = 900 us (really 6 d. B) P=1 k. W P 180(0 d. B) = 240 us (really 6 d. B) P=1 k. W
Visualization of perfluorane (20 weight% perftordekalina + perftormetilciklogeksilpiperidin) in tubes with a diameter of 2. 5 mm. Фантом 19 F-МРТ Relation signal/noise and quality 19 F MRI images were significantly enhanced with help of special choosing pulses This 19 F-tomogram was obtained by using rectangular pulses for 10 minutes.
Visualization of Perftoran (20 weight% perftordekalin + perftormetilciklogeksilpiperidin) in the capillare with a diameter of about 0. 5 mm (Exposition time 30 min using a rectangular pulses). Capillare 19 F-MRI
Combining images on the nuclei 1 H and 19 F 1 H-MRI 19 F-MRI C 10 F 18 1 H + 19 F-MRI C 10 F 18 Perfluorodecalin (2 ml) was introduced into the left front paw of the rat. MRI images obtained on protons and the nuclei of fluorine-19 (in the Center). Combining images substantially improves the quality assisted tomography (right).
Possibility of combining images captured by nuclei 1 H and 19 F Perftordekalin (20 ml) was introduced orally into the rat; it immediately entered into the intestine. MRI images of rat bowel got on protons and the fluorine-19 nuclei and imposed on each other. (next picture).
Combining images derived on the nuclei 1 H and 19 F 1 H-MRI C 10 F 18 Thickness of slice: 5 mm Resolution: 1, 5 x 1, 5 mm 19 F-MRI C 10 F 18 1 H + 19 F-MRI C 10 F 18 – MRI signals show the distribution of 19 F substance along rat bowel
Visualization of perfluorocarbon compounds as contrast preparations targetely delivered to the heart of rabbit Left – proton MRI image; in center – 19 F signals; right – combined 1 H and 19 F image * E. Waters, J. Chen, J. Allen, et al. Detection and quantification of angiogenesis in experimental valve with integrin-targeted nanoparticles and 19 -fluorine MRI/MRS // J. of Cardiovascular Magn. Resonance, 2008, I 0: 43 doi: I 0. 1186/1532 -429 X-I 0 -43. URL: http: //www. jcmr-online. com/content/I 0/I/43.
19 F MRI & MRS (B SFO 1=19. 8346270 MHz SWH=5 k. Hz 0=0. 5 Tesla, SF=19. 83 MHz) Cross Coil mode P 11. 8=100 μs (PL 1=2 d. B) P=2 k. W (by PL 1=-6 DB) NS=128, RG=1000, TD=8 K, LB=3 Hz, BC=Auto 298 -6121073656 SFO 1=19. 8346270 MHz SWH=6 k. Hz P 190=46 μs (PL 1=6 d. B) Single Coil mode NSL(ΤΗ=1 cm)=5, FOV=5 cm, Matrix=50 x 50, BW=27. 8 k. Hz, ST=3 m 20 s P=2 k. W (by PL 1=-6 DB) NS=1, RG=10, TD=8 K, LB=3 Hz, BC=Auto GE (TR/TE=1000/5. 1 ms, PL 1=38. 4 d. B, ) TSE (TR/TE=1000/100 ms) ETL=8, PL 1/PL 2=38. 4/34. 4 d. B)
ЯМР-спектры и МРТ-изображения от тяжелых ядер (2 D, 13 C, 31 P, 35 Cl) На медицинском томографе спектр ЯКР 35 Cl от KCl. O 3 спектр ЯМР дейтерия от D 2 O спектр ЯМР 31 P от H 3 PO 4 На биоспектротомографе спектры ЯМР дейтерия от различных областей тела крысы спектр ЯМР 13 С от C 2 H 5 OH 31 P-МРТ-изображение от H 3 PO 4 Мочевой пузырь Кишки спектр ЯКР 35 Cl от KCl. O 3 Шея Сердце Лопатки Хребет Голова Таз спектр ЯМР 13 С от C 6 H 12 O 6 31 P-МРТ-изображение от H 3 PO 4 Хвост
Усовершенствованы катушки для получения ЯМР сигналов от ядер 19 F На медицинском томографе На биоспектротомографе При переходе от протонов к другим ядрам необходимо перестроить приемопередающий тракт катушки на другую частоту. Так, для медицинского томографа ларморова частота ядер фтора составляет 19, 83 МГц. Для биоспектротомографа: 282, 5 МГц. Ларморова частота протонов для медицинского томографа: 21, 08 МГц, для биоспектротомографа: 300, 2 МГц. Модернизация катушек состояла в преобразовании одного из приемных каналов в приемо-передающий за счет модификации электронных компонентов, определяющих частотную настройку данного канала и его коммутацию.
19 F-ЯМР-спектры и 19 F-МРТ-изображения 2 часа после введения 19 F-спектр 1 H 19 F 1 H + 19 F 1, 6 мл • • • 1 день после введения 1 H 19 F 1 H + 19 F 1, 6 мл Полученные 19 F-МРТ-изображения перфторуглеродных соединений, введенных лабораторным животным, являются первыми в России Разрабатываемые ФУЭС будут использоваться в качестве контрастирующих препаратов в МРТ Аналогичные работы в других странах могут проводиться только на фантомах и лабораторных животных, тогда как в России Перфторан разрешен Минздравом РФ для применений на людях
Низкопольный МР томограф «Юнитом» (0. 15 Тл)
Открытый проект «Народный томограф» Ортопедические снимки: 0. 15 Тл (Юнитом - слева) и 3 Тл (Philips - справа)
Параметры «народного томографа» • Магнитное поле • Масса магнита (ферриты) • Конфигурация магнита 0. 15 Тл 10 т коаксиал, подкова, стол • Энергопотребление 500 Вт • Стоимость 5 -6 млн. руб. • Дистанционное управление Internet • Электроника, софт Россия • Охлаждение не требуется • Долговечность не менее 20 лет • Soft Upgrade дистанционный • Функции диагностика, терагностика
Параметры томографа Philips • • • Магнитное поле 3. 0 Тл Масса магнита (сверхпроводник) 6 т Конфигурация магнита коаксиал Энергопотребление 50 к. Вт Стоимость 5 млн. Евро Дистанционное управление нет Электроника, софт Philips Охлаждение LHe (1000 л) Долговечность не более 7 лет Soft Upgrade locked Функции диагностика, f. MRI
Спасибо за внимание
Скачать презентацию Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР Биомедицинские приложения Часть
MRI_Pirogov_2.ppt