🗊Презентация Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР. Биомедицинские приложения

Магнитно-резонансная томография и спектроскопия ЯМР. Биомедицинские приложения 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 кросс-дисциплинарные проекты Радиоспектроскопия. Перспективы

Медицинская физика – что это такое? Радиационная медицина Лазерная медицина Микроволновая терапия Акустические методы Воздействие физических полей на живые организмы Психофизиология Медицинская биофизика Медицинская диагностика Терагностика Молекулярная визуализация Медицинская физхимия

Радиационная медицина Ускорители заряженных частиц (прицельное облучение патологий электронными и протонными пучками, распад новообразований) Потоки нейтронов Γ-кванты (Г-скальпель) Кибер-нож (Х-лучи) Ассоциация медицинских физиков и журнал «Медицинская физика»

Лазерная медицина Лазерная хирургия (эффекты коагуляции, перфорация сердечной мышцы, разрушение патологических тканей, оптоволоконный скальпель нейрохирурга) Облучение Эндоскопия Лазерная экстракция фармпрепаратов из нанокапсул Лазерная гипертермия Технология искусственных костных тканей Восстановление межпозвоночных хрящевых тканей Офтальмология (лазерная коррекция зрения, приваривание отслоившейся сетчатки)

Микроволновая терапия Физиотерапия (УКВ и более короткие волны) СВЧ гипертермия (аппликаторы) Хирургия (СВЧ ланцет с коагуляцией) Терапевтическое действие микроволн миллиметрового диапазона

Медицинская акустика Литотрипсия УЗ гипертермия УЗ кавитация Бескровная хирургия (коагуляция)

Воздействие физических полей Микроволновая терапия Магнитные поля (постоянные, переменные, высокочастотные, гипертермия, магнитная «нанотерапия») Электрические поля + в комбинации с магнитным полем Акустические (вибрационные) эффекты, метод Илизарова + акустика Полевая акупунктура (СВЧ, УЗИ, лазер)

Психофизиология Биотоки, биопотенциалы, биоритмы головного мозга Физика возбуждения нейронов, электрический диполь Электроэнцефалография биопотенциалов коры головного мозга Магнитоэнцефалография биотоков Обратные и прямые задачи диагностики функций головного мозга

Медицинская биофизика Связь биомолекулярных (элементарных) процессов с нормой и патологией Расшифровка и «прошивка» (в будущем) программы формирования живых организмов, связь микро- и макропроявлений, ДНК и геном Генная терапия

Медицинская диагностика Томография Биолокация (УЗИ, СВЧ, оптоакустика) Метаболомика и метабономика Метод электропроводности Тепловидение и термометрия (ИК и СВЧ) Кардиография (электро- и магнито-кардиография) Полиграф («детектор лжи»), компьютерный face-control

Терагностика Хирургия + (МРТ, УЗИ, КТ, оптоволоконный и лазерно-томографический контроль) Гипертермия + интертермометрия (МРТ) Лекарственная терапия + метаболомика, молекулярная визуализация, фармакокинетика

Молекулярная визуализация Контрастеры и молекулярные маркеры Лазерное зондирование МРТ визуализация Биоспектроскопия Фармакокинетика стволовых клеток Онкоангиогенез

Медицинская физхимия Определение структуры биомолекул Протеомика, взаимодействие белковых молекул Биомолекулярные патологии (болезни Паркинсона, Альцгеймера, рассеянный склероз, коровье бешенство и др.) Наноструктурные лекарства

Вход в ЦМТС МГУ в лабораторном корпусе Б

ЯМР спектрометр Bruker Ultra Shield 600 MHz (Super-resolution - 0.03 Hz)

Рабочая станция спектрометра ADVANCE 600 MHz

Препараторская лаборатория

Био-спектро-томограф Bruker BioSpec 70/30 URS

Научный семинар «Магнитный резонанс в биологии, физике, химии и медицине» Профессор В.И.Польшаков со студентами

Томограф ЦМТС МГУ Bruker Tomikon S50 0.5 T

История Нобелевских открытий в области томографии и спектроскопии магнитного резонанса В 1979 г. премия по медицине была присуждена Г.Н.Хаунсфилду и А.М.Кормаку за разработку компьютерного рентгеновского томографа; в 1991 г. премию по химии получил Р.Эрнс за развитие методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса, а в 2002 г. - К.Вютрих за разработку ЯМР-спектроскопии для определения третичной структуры макромолекул в растворе. В 1946 г. американские физики Ф.Блох и Р.Парселл независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса для жидкостей и твердых тел. В.Л.Гинзбург и А.А.Абрикосов получили Нобелевскую премию 2003 г. за работы в области теории сверхпроводимости. В том же году в области физиологии и медицины Нобелевская премия присуждена П.Лаутербуру и П.Мэнсфилду. ЭПР открыт Е. К. Завойским в 1944. Начиная с 1922 в ряде работ высказывались соображения о возможности существования ЭПР. Попытка экспериментально обнаружить ЭПР была предпринята в середине 30-х гг. нидерландским физиком К. Гортером с сотрудниками. Однако ЭПР удалось наблюдать только благодаря радиоспектроскопическим методам, разработанным Завойским. ЭПР — частный случай магнитного резонанса. Из статьи Ю.А.Владимирова в журнале «Природа»

Магнитно-резонансная томография Регистрация радиоизлучения возбужденных ядер на частоте ларморовой прецессии магнитных моментов Достоинства - Многообразие параметризации сигнала и формирования контраста изображений (по временам релаксации Т1-, Т2-, плотности резонансных ядер, скорости флюидов и др.) - Отображение вариаций плотности мягких тканей - Высокое разрешение Недостатки - Недостаточно высокое быстродействие (зависит от величины магнитных полей) - Гелиевая криогеника магнитов - Радиационная (радиочастотная) нагрузка

Лауреаты Нобелевской премии 2003 года Нобелевская премия в области физиологии и медицины за 2003 г. присуждена П. Лаутербуру и П. Мэнсфилду за решающий вклад в изобретение и развитие метода магнитной резонансной томографии

Магнетизм протона

Протоны в магнитном поле – формирование макроскопической намагниченности

Магнитный момент в поле В0

Квазиклассическая модель протона в магнитном поле

Суммарная намагниченность протонов в магнитном и ЭМ полях

Радиочастотный импульс

Уравнение Блоха

Движение вектора намагниченности под действием РЧ импульса

Процесс продольной релаксации

Поперечная релаксация

Т1,2 в различных тканях

Спиновое эхо

Мультиэхо

Заключение Сегодня мы познакомились с основами МРТ и ЯМР спектроскопии и рядом новых перспективных методов медицинских МРТ исследований На следующей лекции рассмотрим, как проводятся преклинические МРТ и ЯМР исследования на малых животных с применением высокопольных (7 Тл и более) биоспектротомографов типа BioSpec (ниже даны 3 информационных слайда)

Glioma С6, в/в липосомы with Gd

Спасибо за внимание