UNIVERZA V LJUBLJANIFAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO

ODDELEK ZA FIZIKO

SEMINAR1

Slikanje Lesa z Magnetno Resonanco

Primož Burger

mentorDr. Igor Serša

Povzetek

Slikanje z magnetno resonanco (MRI) je nedestruktivna metoda slikanja notranjihorganov in tkiv v živih organizmih. V zadnjem času je postala ena najpomembnejšihmetod, predvsem po zaslugi razvoja večdimenzionalne MR. Njene glavne prednosti so:velika kontrastna ločljivost, možnost prikaza več področij na eni sliki v poljubno izbranihravninah, neškodljivost za organizme in dinamični podatki. V seminarju so predstavljeneosnove slikanja z jedrsko magnetno resonanco (MRI) in njena uporaba za raziskave ana-tomije in vlažnosti lesa. Predstavljen je poizkus uporabe in vivo 3D MR slikanja, kjerje bila pri prostorski ločljivosti slikanja 100 µm opazovana struktura vejice in spremljandinamičen odziv na mehansko poškodbo. Raziskava je bila opravljena na 3 metre visokibukvi, ki je bila slikana v laboratoriju za slikanje z magnetno resonanco Oddelka za fizikotrdne snovi na Institutu Jožef Stefan.

November 2007

1Seminar pri prof. dr. Slobodanu Žumru v 4. letniku fizike

Kazalo1 Uvod 2

2 Osnove magnetne resonance 22.1 Energijski nivoji in RF absorbcija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Jedrska relaksacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 Jedrska precesija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4 RF sunek in signal proste precesije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5 Spekter signala proste precesije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6 Spinski odmev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Osnove slikanja z magnetno resonanco 63.1 Gradient magnetnega polja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.2 MR slikanje v eni dimenziji (frekvenčno kodiranje MR signala) . . . . . . . . . 73.3 Razširitev v več dimenzij . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.4 Fazno kodiranje MR signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.5 Večdimenzionalno MR slikanje na osnovi Fouriereve transformacije . . . . . . . 83.6 Izbira rezine slikanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 Pregled osnovnih metod slikanja z magnetno resonanco 94.1 Metoda slikanja s spinskim odmevom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.2 Kontrastna sredstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3 Prostorsko slikanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Uporaba magnetno resonančnega slikanja za raziskave anatomije in vlažno-sti lesa 105.1 Makroskopska zgradba lesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2 Predstavitev nekaterih starejših raziskav lesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 3D metoda slikanja v raziskavah lesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.3.1 Raziskava bukve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.3.2 Rezultati raziskave bukve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6 Zaključek 16

1

1 UvodSlikanje z magnetno resonanco (angl. Magnetic Resonance Imaging - MRI), temelji na uporabijedrske magnetne resonance (angl. Nuclear Magnetic Resonance - NMR). Pojav NMR sta leta1946 neodvisno odkrila Felix Bloch in Edward Mills Purcell ter za odkritje leta 1952 skupajprejela Nobelovo nagrado za fiziko. NMR je spektroskopska tehnika, ki se je na začetkuuveljavila predvsem za kemijsko analizo snovi, v novejšem času pa je z iznajdbo slikanja zmagnetno resonanco zasedla tudi izredno pomembno mesto v biomedicinskih raziskavah. Prijedrski magnetni resonanci izkoriščamo dejstvo, da se atomska jedra s spinom, v magnetnempolju vedejo kot majhne magnetne igle; pravimo, da imajo takšna jedra magnetni dipolnimoment ~µ = γ~Γ. Najpogosteje merimo signal vodikovega jedra oziroma protona 1H[2]. Vodiknastopa v vseh organskih spojinah in je zato zelo pomemben v biomedicinskih raziskavah zNMR. Poleg vodikovega jedra ima dipolni magnetni moment še jedro vodikovega izotopa 2Hoziroma devterijevo jedro in še jedra ne katerih drugih pomembnih kemijskih elementov innjihovih izotopov, pojavljajočih se v organskih tkivih: ogljikov izotop 13C, dušik 15N, fosfor31P in fluor 19F. Tako kot se magnetna igla v magnetnem polju postavi v smer polja, setudi magnetni dipolni momenti jeder v zelo močnem magnetnem polju usmerijo tako, da jev povprečju več magnetnih momentov jeder usmerjenih v smeri statičnega magnetnega poljakot v obratni smeri, kar povzroči nastanek jedrske magnetizacije vzorca.

2 Osnove magnetne resonance

2.1 Energijski nivoji in RF absorbcija

V magnetnem polju je energija jeder s spinom odvisna od njihove orientacije. Če bi imelivzorec ohlajen na temperaturo absolutne ničle (0 K), potem bi termično gibanje jeder zamrloin takrat bi se vsa jedra v vzorcu postavila v smer magnetnega polja in vzorec bi se popolnonamagnetil. Magnetizacija jeder M , ki jo definiramo kot prostorsko gostoto dipolnih mo-mentov jeder, torej kot povprečno orientacijo in velikost dipolnega momenta jeder deljeno sprostornino, ki pripada enemu jedru, bi bila takrat največja možna. Višja, ko je temperaturavzorca bolj bodo jedra začela zavzemati povsem naključne orientacije in s tem se bo tudivse bolj izgubljala prevladujoča orientacija v smeri magnetnega polja, magnetizacija jeder vvzorcu bo zaradi tega tudi vse bolj padala. Razmerje med dipoli, ki se postavijo antiparalelnoin paralelno z magnetnim poljem, izračunamo iz Boltzmanove porazdelitve[2]:

Na

Np

= exp (−Ea − Ep

kT) = exp (−4E

kT) (1)

Na primer, za vodikova jedra v magnetnem polju magnetov, ki se tipično uporabljajo za MRslikanje, in pri sobni temperaturi (293 K) se magnetizacija jeder zaradi vpliva temperaturezmanjša na približno eno milijoninko največje možne. Edina pomoč v boju za tem večjomagnetizacijo jeder v vzorcu je, da uporabimo tem močnejše magnete za slikaje z MR, kerohladitev vzorcev običajno ni mogoča.

2.2 Jedrska relaksacija

Posledica magnetenja jeder je segretje vzorca. Jedra oddajo višek energije nihanju kristalnemreže, živahnost tega nihanja pa je merilo za temperaturo vzorca. Pomembno je, da vemo,

2

da magnetenje vzorca ni možno brez prenosa energije (sklopitve) med jedri in mrežnimi ni-hanji. Intenzivnost te sklopitve ima namreč zelo pomembno vlogo pri hitrosti magnetenja intudi razmagnetenja vzorca ali tako imenovani jedrski relaksaciji. Točneje bi morali to vrstorelaksacije označiti kot longitudinalno, saj pri tej poteka spreminjanje magnetizacije vzdolžsmeri magnetnega polja. Hitrost longitudinalne relaksacije je zaradi zelo različne stopnjesklopitve med jedri in mrežnimi nihanji zelo različna med različnimi snovmi. Predvsem sovelike razlike med tekočimi in trdnimi vzorci. V trdnih vzorcih je longitudinalna relaksacijamnogo počasnejša kot v tekočinah. Proces magnetenja vzorca opišemo z eksponentno funkcijopribliževanja ravnovesni vrednosti[2],

Mz = M0(1− exp(−t/T1)) (2)

kjer je Mz komponenta magnetizacije v smeri statičnega magnetnega polja (ali longitudinalnamagnetizacija), M0 je ravnovesna vrednost magnetizacije in T1 je karakterističen čas longi-tudinalne relaksacije ( v času T1 doseže longitudinalna magnetizacija približno 2/3 končnevrednosti). Tako imamo v tekočinah relaksacijske čase T1 v razponu od nekaj 100 ms pa doveč s, v trdnih vzorci pa je lahko T1 dolg tudi več ur, to zavisi seveda tudi od temperature.

Če smer zunanjega magnetnega polja zasukamo za 90◦ glede na prvotno orientacijo, jedratej nenadni spremembi magnetnega polja ne morejo slediti in ostanejo obrnjena tako, kotso bila pred zasukom magneta. Njihova orientacija je sedaj pravokotna na smer magnetnegapolja. Po dovoj dolgem času izgine začetna orientacija magnetizacije jeder v smeri pravokotnona smer statičnega magnetnega polja. Temu pravimo transverzalna relaksacija. Pri temse ni spremenila energija jeder, ker je le izginila komponenta magnetizacije v smeri prečnona statično magnetno polje, medtem ko je projekcija magnetizacije v smeri statičnega poljaostala nespremenjena in se je zato ohranila tudi energija jeder v magnetnem polju. Pritransverzalni relaksaciji torej ni prišlo do izmenjave energije med jedri in mrežo. Ta relaksacijaočitno poteka z drugačnimi mehanizmi kot longitudinalna relaksacija in je zato v splošnemlahko tudi njena hitrost precej drugačna kot hitrost longitudinalne relaksacije. Zopet lahkoupadanje transverzalne magnetizacije (to je komponente magnetizacije v smeri pravokotno nasmer statičnega magnetnega polja) dobro opišemo z eksponentno padajočim spreminjanjem,ki ga podaja enačba,

Mxy = M0 exp(−t/T2) (3)

kjer je Mxy komponenta magnetizacije v smeri pravokotno na smer statičnega magnetnegapolja (ali transverzalna magnetizacija), M0 je ravnovesna vrednost magnetizacije in T2 jekarakterističen čas transverzalne relaksacije (v času T2 pade transverzalna magnetizacija napribližno 1/3 začetne vrednosti). Relaksacijski časi T2 so v tekočinah velikostnega reda odnekaj 10 ms pa do nekaj s, v trdnih snoveh pa so mnogo krajši in znašajo lahko tudi samonekaj µs. Izkaže se tudi, da je transverzalna relaksacija vedno hitrejša od longitudinalnerelaksacije.

2.3 Jedrska precesija

Posledica spina jeder je, da magnetni navor ne more zasukati jeder v smer statičnega ma-gnetnega polja, ampak jim lahko spremeni le os vrtenja in sicer tako, da oklepa s smerjostatičnega magnetnega polja vedno enak kot. Povprečna orientacija jeder in s tem tudi je-drska magnetizacija se ves čas vrti s stalno frekvenco po plašču stožca okoli smeri statičnegamagnetnega polja Temu nekoliko zapletenemu gibanju pravimo jedrska precesija. Hitrost pre-cesije pri jedrih je odvisna od spina jeder in od magnetnega navora jeder in s tem tudi od

3

gostote statičnega magnetnega polja. Frekvenco jedrske precesije ali tako imenovano Lar-morjevo frekvenco zapišemo z enačbo ω0 = γB0 kjer je γ giromagnetno razmerje in B0

gostota magnetnega polja[2]. Giromagnetno razmerje je razmerje med magnetnim dipolnimmomentom jedra in njegovim spinom in je značilna lastnost vsake vrste jeder. Vidimo torej,da je frekvenca jedrske precesije sorazmerna z gostoto magnetnega polja in je odvisna odvrste jedra. Na primer vodikova jedra v magnetnem polju najpogosteje uporabljanih MR ma-gnetov, katerih gostota magnetnega polja znaša 1.5 T, tako precesirajo s frekvenco 64 MHz.Precesijske frekvence jeder v močnem magnetnem polju sodijo torej v področje kratkovalovnihradijskih postaj ali v RF področje.

2.4 RF sunek in signal proste precesije

Jedra lahko sprejmejo le energijo v obliki RF valovanja enake frekvence, kot je frekvencaprecesije jeder v magnetnem polju. Temu pojavu pravimo resonančna absorpcija energije RFvalovanja. Poleg tega mora biti to RF valovanje tudi pravilno usmerjeno. Takšno RF valova-nje najlažje ustvarimo z RF tuljavami, ki so del nihajnega kroga uglašenega na Larmorjevofrekvenco opazovanih jeder. Torej pri tipičnem MR poskusu vzorec najprej vstavimo v RFtuljavo, ki je že v magnetnem polju. To tuljavo potem uglasimo na frekvenco jedrske prece-sije in nato na tuljavo pripeljemo kratek RF napetostni sunek (RF pulz). Dokler traja RFsunek jedra absorbirajo energijo in njihova projekcija na smer statičnega magnetnega polja seves čas zmanjšuje. To dogajanjeopišemo klasično in ga najlažje opazujemo v koordinatnemsistemu, ki se vrti okoli osi v smeri statičnega magnetnega polja z enako frekvenco kot nihaRF valovanje. V tem koordinatnem sistemu se magnetizacija vrti okoli osi v smeri magne-tnega polja B1, ki pripada RF valovanju, s katerim obsevamo jedra (slika 1). Magnetizacija

Slika 1: Učinek RF sunka na jedra.[1]

se tako po sunku s trajanjem tp odkloni od začetne ravnovesne lege za kot θ, ki je sorazmerens trajanjem RF sunka in z gostoto vrtečega se magnetnega polja B1[2].

θ = γtpB1 (4)

S primerno izbiro jakosti RF valovanja in trajanja RF sunka lahko dosežemo, da se magnetiza-cija odkloni od začetne ravnovesne orientacije za poljuben kot θ. Najpogosteje uporabljamo zatrajanje sunka vrednosti t90 in t180. S prvo odklonimo magnetizacijo za kot 90◦ (90◦ = γt90B1)in z drugo za kot 180◦ (180◦ = γt180B1 ); pravimo, da smo enkrat izvedli sunek 90◦ in drugič180◦. Po sunku 90◦ se magnetizacija začne vrteti okoli osi statičnega magnetnega polja zLarmorjevo frekvenco. Zaradi tega vrtenja se skozi RF tuljavo spreminja magnetni pretok inv RF tuljavi se inducira električna napetost. Ta je največja takoj po sunku 90◦, ker ima ta-krat magnetizacija tudi največjo možno projekcijo na ravnino pravokotno na smer statičnegamagnetnega polja. V tuljavi inducirani signal napetosti je namreč sorazmeren s komponentomagnetizacije, ki spreminja magnetni pretok skozi tuljavo, torej s transverzalno komponentomagnetizacije in s frekvenco njenega vrtenja.

4

Kasneje se transverzalna magnetizacija zaradi relaksacije začne zmanjševati in induciransignal postane vse manjši. Z merjenjem inducirane napetosti lahko tako spremljamo razpa-danje transverzalne komponente magnetizacije; pravimo, da na ta način posnamemo signalproste precesije. Ker je signal proste precesije sorazmeren z velikostjo magnetizacije in fre-kvenco njene precesije, obe količini pa sta sorazmerni z jakostjo magnetnega polja, velja,da je induciran signal (oziroma MR signal) sorazmeren s kvadratom magnetnega polja. Znamenom, da bi v MR slikah dosegli čim boljše razmerje med signalom in šumom, težijo na-črtovalci MR tomografskih sistemov k izgradnji vse močnejših magnetov. Do neke mere lahkopovečamo razmerje med signalom in šumom tudi s povprečevanjem (seštevanjem) signalov,vendar utegne biti to zelo zamudno, saj se pri tem povečuje razmerje med signalom in šumoms kvadratnim korenom od števila povprečitev.

2.5 Spekter signala proste precesije

Signal proste precesije vzorca, z izoliranimi jedri, ki vsa procesirajo z natanko enako frekvenco,bi bil videti kot ena sama sinusna krivulja, katere frekvenca bi ustrezala Larmorjevi frekvenci.V resnici jedra nikoli ne precedirajo z eno samo točno določeno frekvenco, ampak je tehfrekvenc lahko več. Razlog je v tem, da jedra niso osamljena, ampak so del molekul in v njihse nahajajo v različnih kemijskih okoljih. V njih »čutijo« statično magnetno polje nekolikorazlično in zato v različnih kemijskih okoljih procesirajo z nekoliko različnimi frekvencami.Temu pojavu pravimo tudi kemijski premik. Poleg tega tudi magnetno polje v vzorcu ninikoli povsem homogeno in je lahko v enem delu vzorca močnejše kot v drugem. V takih(realnih) pogojih bi bil signal proste precesije videti prezapleten, da bi lahko direktno iznjega ugotovili kolikšen del jeder procesira z določenimi frekvencami in katere frekvence soto. Za to v tomografskih sistemih signal proste precesije zabeležimo v digitalni obliki in gakasneje tudi računalniško pretvorimo v spekter, oziroma časovno odvisni signal pretvorimo vfrekvenčno odvisni signal. Matematiki to operacijo imenujejo Fourierova transformacija (FT).Spekter signala proste precesije predstavlja porazdelitveno funkcijo števila jeder po njihovihprecesijskih frekvencah. Tako ima spekter proste precesije izoliranih jeder le eno samo ozkočrto pri Larmorjevi frekvenci, spektri »realnih« jeder pa imajo več črt z različnimi višinamiin legami. Na primer, vodikov (protonski) spekter etanola (CH3 − CH2 − OH) ima tako tričrte, ki pripadajo vodikom v treh različnih kemijskih okoljih: CH3 črto, CH2 črto in OH črtoz relativnimi razmerji amplitud 3:2:1. Iz MR spektra lahko tako precej natančno določimokemijsko sestavo snovi, kar s pridom uporabljajo kemiki[2].

2.6 Spinski odmev

Denimo, da opazujemo vzorec, katerega MR spekter ima eno samo ozko črto v spektru (naprimer vodikov spekter vode). S sunkom 90◦ najprej zasučemo magnetizacijo v ravnino pra-vokotno na smer statičnega magnetnega polja. Če je vzorec v popolnoma homogenem ma-gnetnem polju, potem bo magnetizacija v vseh delih vzorca tudi po poljubno dolgem času tostala enako usmerjena, kot takoj po sunku, le njena velikost bo zaradi transverzalne rela-ksacije za faktor exp(−t/T2) manjša od začetne velikosti. V resnici nimamo nikoli opravkas povsem homogenim magnetnim poljem, ampak imamo vedno krajevne odmike od srednjevrednosti magnetnega polja v vzorcu. Zaradi njih se magnetizacija v različnih delih vzorcasuče z različnimi precesijskimi hitrostmi in signal proste precesije ne upada več samo zaraditransverzalne relaksacije ampak tudi zaradi razorientacije magnetizacije v vzorcu. Posledicatega je, da signal proste precesije ne upada več s karakterističnim časom T2 ampak s krajšim

5

časom T ∗2 . Oglejmo si, kaj se zgodi, če v času τ po sunku 90◦ izvedemo sunek 180◦. Takoj

po sunku 90◦ imajo tako hitra, kot tudi počasna jedra enako fazo precesije in signal prosteprecesije je takrat največji. Takoj za tem začne ta signal upadati, saj hitra jedra pridobijovse večjo fazo, počasna pa jo izgubijo. Pred sunkom 180◦ so razlike med pridobljeno iz iz-gubljeno fazo hitrih in počasnih jeder že tako velike, da praktično izgine ves signal prosteprecesije. Sunek 180◦ nato spremeni predznak pridobljene faze. Na primer, če je določenojedro pridobilo v času τ fazo β, bo njegova faza precesije takoj po sunku 180◦ enaka −β.V času po sunku 180◦ hitra in počasna jedra zopet precesirajo z enako hitrostjo, kot predsunkom 180◦. Tako bodo v času τ po sunku 180◦ zopet pridobila enako fazo, kot so jo žemed sunkoma 90◦ in 180◦. Naše opazovano jedro bo tako zopet pridobilo fazo β, tako da bonjegova faza v času τ po sunku 180◦ (ali 2τ po sunku 90◦) enaka −β + β = 0. Sunek 180◦ jezopet zbral (refokusiral) magnetizacijo. Signal proste precesije, ki po sunku 90◦ začne padatikot funkcija exp(−t/T ∗

2 ) , se po času 2τ zaradi sunka 180◦ spet močno dvigne, kot nekakšenodmev začetnega signala. Temu pojavu zato pravimo spinski odmev. Višina odmeva je zaexp(−2τ/T ∗

2 ) nižja od signala, ki sledi takoj po sunku 90◦.

3 Osnove slikanja z magnetno resonancoVsako slikanje z magnetno resonanco temelji na uporabi različnih gradientov magnetnegapolja.

3.1 Gradient magnetnega polja

Posebno prikladna so nehomogena magnetna polja, kjer ima magnetno polje v prostoru ves časenako smer, a se mu njegova velikost linearno povečuje s krajem. Na primer, smer magnetnegapolja naj bo v smeri osi z, vendar velikost tega polja linearno narašča v smeri osi x. Takopolje lahko zapišemo z enačbo:

B(x) = B0 + Gxx (5)

Tu je B0 gostota osnovnega (homogenega) magnetnega polja in Gxx je gradientno ma-gnetno polje, ki je osnovnemu polju dodano; pri tem je Gx gradient tega magnetnega polja(slika 2). Pri slikanju uporabljamo še gradientna magnetna polja Gyy in Gzz. S poljubnokombinacijo vseh treh gradientnih magnetnih polj lahko torej dosežemo linearno naraščajočepolje v poljubni smeri prostora.

Slika 2: Homogeno (zgoraj), gradientno (sredina) in sešteto (spodaj) magnetno polje.[1]

6

3.2 MR slikanje v eni dimenziji (frekvenčno kodiranje MR signala)

Vzemimo valj napolnjen z vodo, katerega spekter MR ima eno samo zelo ozko črto pri frekvenciω0 (slika 3a, levo). Če imamo ves čas zajemanja signala vklopljeno še gradientno magnetnopolje Gxx precesijske frekvence jeder postanejo krajevno odvisne in linearno naraščajo v smerigradienta magnetnega polja. V našem primeru tako dobimo v valju precesijske frekvence jederodvisne od njihove lege vzdolž osi x, oziroma odvisne od njihove x koordinate. Tako ima jedros koordinato x precesijsko frekvenco enako:

ω(x) = ω0 + γGxx (6)

Spekter signala proste precesije posnetega pri vklopljenem gradientu magnetnega polja jesedaj krivulja, ki se razteza od frekvence ω(x) = ω0 − γGxa do frekvence ω(x) = ω0 + γGxa,kjer je a polmer valja. Ta krivulja predstavlja porazdelitev jeder po njihovih precesijskihfrekvencah, le da so sedaj precesijske frekvence jeder linearno odvisne od x koordinate in zatospekter predstavlja kar porazdelitev jeder po njihovi x koordinati (slika 3a, desno). Dobilismo torej kar enodimenzionalno sliko vzorca, ki v našem primeru ustreza kar projekciji valjana x os. Vidimo lahko tudi, da bo pri izbranem opazovanem področju frekvenc spektra videtislika večja, če bomo uporabili večji gradient magnetnega polja Gx, saj bo takrat valj pokrivalširše področje frekvenc. Z močnejšimi gradienti magnetnega polja lahko tako dobimo boljločljive slike in zato tudi v vseh modernih MR tomografskih sistemih težijo k uporabi temmočnejših gradientov magnetnega polja.

Slika 3: a) Princip 1D slikanja z MR. b) Rekonstrukcija 2D MR slike iz projekcij.[1]

3.3 Razširitev v več dimenzij

Enodimenzionalno slikanje lahko razširimo v več dimenzij tako, da posnamemo več enodimen-zionalnih slik vzorca pod različnimi koti slikanja. Smer gradienta magnetnega polja pri tem venakomernih korakih postopno sučemo in s tem dobimo serijo enodimenzionalnih slik (projek-cij) vzorca pod različnimi koti. Iz njih je možno kasneje rekonstruirati dvodimenzionalno slikovzorca z uporabo inverzne Radonove transformacije (slika 3b). Za izvedbo te je nepogrešljivzmogljiv računalnik in zato je bil tudi nastanek večdimenzionalnega slikanja z magnetno reso-nanco tesno povezan z razvojem računalnikov. Prvo dvodimenzionalno magnetno resonančnosliko je uspelo po opisanem postopku dobiti P.C. Lauterburju leta 1972.

3.4 Fazno kodiranje MR signala

Moderni MR tomografski sistemi omogočajo, da lahko poleg velikosti MR signala zabeležimoše njegovo fazo. Torej lahko pri prosti precesiji magnetizacije zabeležimo ne le velikost tran-sverzalne komponente magnetizacije Mxy =

√M2

x + M2y ampak tudi obe njeni komponenti

7

v transverzalni ravnini Mx in My. Obe komponenti magnetizacije sta z njeno velikostjo po-vezani s fazo φ : Mx = cos(φ) in My = sin(φ). Faza dopušča dodatno možnost beleženjainformacij. Na primer, po sunku 90◦ lahko za čas ty vklopimo gradientno polje Gyy in s temdosežemo, da imajo jedra na različnih mestih vzdolž y osi različno fazo precesije (slika 4a)

φ(y) = γGyyty (7)

Slika 4: a) Princip faznega kodiranja. Vklop gradienta povzroči krajevno odvisno fazo MRsignala. b) Pomikanje po k-prostoru je povezano s spreminjanjem gradientov.[1]

3.5 Večdimenzionalno MR slikanje na osnovi Fouriereve transforma-cije

Slikanje v več dimenzijah temelji na osnovi kombinacije obeh vrst kodiranja MR signala, kismo ga do sedaj spoznali: frekvenčnega in faznega, ki sta oba enakovredna. Iz enačbe (7)lahko vidimo, da fazo φ pridelamo tako, da uporabimo konstanten gradient in spreminjamo časfrekvenčno kodiranje signala, lahko pa imamo čas stalen in spreminjamo jakost gradientafazno kodiranje signala. Definirajmo k-prostor s produktom gradienta in časa. Koordinatik-prostora sta kx = γGxtx in ky = γGyty Za to, da lahko rekonstruiramo MR sliko v dvehdimenzijah, moramo poznati signal iz celotne k-ravnine. pred začetkom zajemanja signalavklopimo za polovičen čas nameravanega zajemanja signala še negativni gradient −Gx in stem premaknemo začetno točko zajemanja signala na negativni del vrstice ter tako v enemposkusu posnamemo signal tako za pozitivne, kot tudi za negativne kx (slika 4b). Do zajemasignala iz celotne k-ravnine nam ostane le še, da posnamemo signal pri različnih vrednostihfaznega gradienta Gy, ki ga pri tem od poskusa do poskusa enakomerno povečujemo in s tem spremikanjem vrstice zajemanja signala enakomerno pokrijemo vzorčenje signala iz k-ravnine.Ko enkrat posnamemo signal iz celotne k-ravnine nas čaka le še matematična operacija po-dobna tisti, pri kateri smo iz signala proste precesije dobili spekter, le da je tokrat v dvehdimenzijah. Za rekonstrukcijo MR slike moramo torej izvesti dvodimenzionalno Fourierevotransformacijo signala v k-prostoru (enačba 9), ki nam da signal v r-prostoru oziroma MRsliko.

S(x, y) =∫

dkx

∫dkyS(kx, ky)e

i(xkx+yky) (8)

3.6 Izbira rezine slikanja

Če izvedemo RF sunek hkrati z vklopljenim gradientom magnetnega polja, potem imajo lejedra v delu vzorca, ki ustreza rezini pravokotni na smer gradienta, take precesijske frekvence,

8

da jih mehek RF sunek lahko vzbudi (slika 5a). Z uporabo močnejšega gradienta magnetnegapolja dosežemo, da je nastala rezina vzbujenih jeder tanjša, s spremenjeno nosilno frekvencoRF sunka pa lahko dosežemo, da ima nastala rezina vzporedno premaknjeno lego. Na ta načinimamo lahko popolno kontrolo nad orientacijo (smer gradienta), lego (nosilna frekvenca RFsunka) in debelino (jakost gradienta) rezine vzbujenih jeder.

Slika 5: a) Izbira rezine. b) Zaporedje za slikanje s spinskim odmevom.[1]

4 Pregled osnovnih metod slikanja z magnetno resonanco

4.1 Metoda slikanja s spinskim odmevom

Najpogosteje uporabljana metoda slikanja z MR je metoda slikanja s spinskim odmevom (SE –spin echo) (slika 5b). Pri tej je zaporedju za slikanje opisanem v poglavju »VečdimenzionalnoMR slikanje na osnovi Fouriereve transformacije« na sredino med vzbuditveni RF sunek 90◦in sredino zajema signala dodan še RF sunek 180◦, ki ustvari spinski odmev v točki sredinezajema signala.

Kontrast MR slike posnete z zaporedjem za slikanje s spinskim odmevom je odvisen oddveh parametrov slikanja; to sta čas spinskega odmeva TE (echo time) in hitrost ponavljanjazaporedja TR (repetition time). Parameter TR ustreza času, ki je minil med dvema zapo-rednima izvedbama zaporedja (na sliki 5b), s katerima zajamemo signala iz dveh sosednjihvrstic k-prostora. Izkaže se, da je signal MR slike sorazmeren

S ∝ ρ exp(−TE/T2)(1− exp(−TR/T1)) (9)

kjer je ρ gostota slikanih jeder vzorca. S primerno izbiro parametrov slikanja TE in TR lahkodobimo pri istem vzorcu tri različne tipe slik glede na njihov kontrast. To so gostotna slika, T1

obtežena slika in T2 obtežena slika. Tako ima gostotna slika kontrast pretežno odvisen le odgostote slikanih jeder vzorca, T1 obtežena slika ima kontrast pretežno odvisen od T1 relaksa-cijskih časov vzorca in T2 obtežena slika ima kontrast pretežno odvisen od T2 relaksacijskihčasov vzorca. Tabela 1 podaja potrebno izbiro parametrov slikanja za posamezen tip slike:

Tip slike TE TRgostotna slika kratek dolgT1 obtežena kratek ≈ T1

T2 obtežena ≈ T2 dolg

Tabela 1 Vpliv parametrov slikanja na kontrast slike.Obstajajo še druge metode slikanja. Najhitrjša je metoda planarnega odmeva, ko z enim

samim sunkom poslikamo celo k-ravnino. Metoda RARE je pogosto uporabljena metoda. Pritej metodi namsto enega sunka π uporabimo N sunkov π.

9

4.2 Kontrastna sredstva

V želji po izboljšanju kontrasta pri MR slikanju so razvili tudi posebna kontrastna sredstvaza slikanje z MR. Osnovna ideja teh je, da spremenijo relaksacijske čase snovi v odvisnosti odkoncentracije kontrastnih sredstev v delih vzorca. Kontrastna sredstva so organske molekulez dodanim paramagnetnim centrom. Ta v svoji okolici zaradi vrtenja molekul, povzroče-nega s termičnim gibanjem, dinamično spreminja magnetno polje in s tem pospeši relaksacijookoliških jeder. To se predvsem pozna na znatnem skrajšanju T1 relaksacijskega časa, karzlahka opazimo na T1 obteženih slikah. S kontrastnimi sredstvi dobimo pri MR slikanju do-datno informacijo, ki jo z osnovnimi metodami MR slikanja sicer ne bi mogli dobiti. Pri živihorganizmih lahko sredsvo spremeni tudi procese v organizmu.

4.3 Prostorsko slikanje

Pri tej metodi uporabljamo RF sunke s katerimi vzbudimo jedra v celotnem vzorcu. Zaločevanje signalov različnih jeder v z smeri (smer, ki je pravokotna na rezine) pa uporabimoše en fazni gradient. Pri tej metodi slikanja obravnavamo k-prostor v treh dimenzijah in znovim faznim gradientom se pomikamo v z smeri k-prostora enako kot smo se do sedaj sfaznim gradientom pomikali v y smeri k-prostora. Fazni gradient v z smeri se poveča šele,ko je fazni gradient v y smeri zavzel vse možne vrednosti. Metoda prostorskega slikanja jezato lahko precej dolgotrajna, saj se je čas slikanja, glede na slikanje v dveh dimenzijah, sedajpovečal tolikokrat kolikor ima slika v treh dimenzijah rezin. Prednost pa je v tem, da lahkos to metodo posnamemo zelo ločljive prostorske slike z izotropno ločljivostjo. (slika 6a)

Slika 6: a) Zaporedje za prostorsko slikanje z gradientnim odmevom.[1] b) Vse drevesne vrsteimajo beljavo, nekatere vrste pa imajo tudi jedrovino.[5]

5 Uporaba magnetno resonančnega slikanja za raziskaveanatomije in vlažnosti lesa

5.1 Makroskopska zgradba lesa

Ko drevesno deblo prerežemo prečno, lahko vidimo prirastne kolobarje. Na sliki so označeniin poimenovani deli, ki jih lahko vidimo na prečnem prerezu. (slika 7) Najbolj zunanji del

10

prerezanega debla je skorja. Skorji sledi kambij, ki je zelo pomemben za rast drevesa inskrbi za delitev celic in prirašcanje lesa navznoter ter skorje navzven. Kambiju sledijo protinotranjosti debla prirastne plasti lesa. Pri drevesih zmernega pasu (kamor sodi tudi Slovenija)v normalnih okolišcinah nastane ena prirastna plast letno in jo imenujemo letna prirastnaplast ali branika. Med branikami so vidne meje – letnice. Zunanji del branike je pri iglavcihponavadi temneje obarvan in je trši. Ta les je prirašcal proti koncu vegetacijske dobe intraheide v tem delu branike imajo relativno ozke lumne ter debele stene. Imenujemo gakasni les. Notranji del branike pa je iz bolj mehkega lesa, ki je nastajal na zacetku rastnesezone. Ta del imenujemo rani les in ga sestavljajo traheide z relativno širokimi celicnimilumni in tankimi stenami. V lesarstvu vrste dreves delijo na tri skupine: iglavce, raztesenoporozne listavce, pri katerih so pore enako velike, majhne in enakomerno razporejene pobraniki ter na venčasto porozne listavce, ki imajo dobro vidne pore na začetku ranegalesa.

Slika 7: Prečni prerez lesa[5]

Vlažnost lesa je definirana kot masa vode v lesu deljena z maso izsušenega lesa in senavaja v procentih. Seveda je tako definirana vlažnost lahko tudi nad 100 %.

5.2 Predstavitev nekaterih starejših raziskav lesa

Osnovni pogoj za uspešno MR-slikanje je, da preiskovana tkiva oz. materiali vsebujejo vodik,zato je les zaradi visoke vlažnosti in specifične zgradbe zelo primeren material za tovrstneraziskave. Testni MRI poskusi izpred več kot 30 let[6] so obetali nedestruktivno tehniko zaopazovanje notranjih struktur in pojavov v lesu. Prva MR-slikanja lesa so bila narejena v obi-čajnih medicinskih magnetih z relativno nizkimi magnetnimi polji (0,15T – 1T). Uporabljaliso medicinske radiofrekvenčne (RF) tuljave, ki so omogočale slikanje velikih vzorcev lesa (de-bla s premeri nad 15 cm), vendar je bila ločljivost teh slik dokaj slaba (1.2 x 1.2 mm2/piksel).WANG in CHANG[7] sta s pomočjo MRI spremljala absorpcijo vode v lesu črne češnje inz MR-slikami potrdila že znano dejstvo, da je beljava bolj absorptivna kot jedrovina (slika6b). Zanimivo je, da sta na MR-slikah raztreseno porozne češnje jasno razločila rani in kasniles, kar naj bi bilo sicer značilno za venčasto porozne vrste. Raziskave so pokazale tudi, dase tkiva z nizko vsebnostjo vode na MR-slikah ne pojavijo, ker je signal prešibek. Tako sopri slikanju hrasta[8] ugotovili, da se skorja na MR-slikah ni nikoli videla, brez težav pa soopazovali mejo med beljavo in jedrovino, potek prirastnih plasti, stržen in večredne radialnetrakove.

11

MRI poleg normalnih strukturnih pojavov omogoča tudi odkrivanje in identifikacijo de-fektov v lesu, kar je izrednega pomena na primer pred razrezom hlodov. Maksimalni vre-dnostni izkoristek razreza je mogoče doseči le ob upoštevanju rastnih anomalij znotraj hloda,ki pa do razreza ostanejo skrite. Metoda NMR za hitro odkrivanje napak v lesu predposta-vlja, da se rastne posebnosti v lesu vsaj delno strukturno razlikujejo od normalnega lesa[9],kar je mogoče zaznati na sliki. Identifikacijo napak so preizkusili tudi s 3D računalniškorekonstrukcijo[10], kjer so analizirali zaporedje prečnih 2D MR- slik, ter iz njih računalniškorekonstruirali zgradbo lesa.

Osnova NMR-metode je voda v materialu, kar omogoča tudi spremljanje določenih pro-cesov, povezanih s spremembami vlažnosti v lesu. Okužba z glivo, na primer, v lesu povzročikompleksne procese, ki predstavljajo obrambni mehanizem lesa, v katerem so žive celice. Pe-arce (1994) je na kosih javorovine uporabil NMR spektrometer za neinvazivno slikanje glivneokužbe[4]. Slikanje je razkrilo anatomsko zgradbo lesa, patološke posebnosti, dinamiko okužbein odziv živega tkiva na kolonizacijo z glivami. Študija je dokaz, da MRI omogoča opazovanjeinterakcij med lesom in patogenim organizmom oz. spremljanje dinamičnih procesov v lesu.Tudi sušenje je proces, kjer je z MRI mogoče spremljati vlažnosti in vlažnostne gradiente vlesu[4]. MR- signal, ki ga dobimo iz vzorca, je namreč direktno sorazmeren z deležem vodev vzorcu[7]. Vlažen les pri slikanju pomeni močnejši MR-signal, zato je bila večina študijopravljenih na lesu z vlažnostjo nad točko nasičenja celičnih sten (TNCS), t.j. okoli 30 %vlažnosti.

5.3 3D metoda slikanja v raziskavah lesa

Slikanje z magnetno resonanco je mogoče tudi v treh dimenzijah. Pri 3D MRI tehniki je slikaniprostor, kjer leži vzorec, razdeljen na enako velike dele (kocke). Dimenzija ene kocke določatudi prostorsko ločljivost. Najbolj razširjena metoda slikanja z MR je metoda, ki temelji naspinskem odmevu (spin echo). Količina MR-signala, ki pripada posameznemu slikovnemuelementu MR-slike, je predstavljena s svetlostjo. Večji je MR-signal iz slikovnega elementa,svetlejša bo ta točka na sliki. Pri (spin echo) metodi je svetlost točke slike kar sorazmernas koncentracijo vode. Pri drugačni izbiri parametrov slikanja TR in TE bi v splošnem bilasvetlost točke slike odvisna še od relaksacijskih časov T1 in T2. Prednost 3D slikanja pred 2Dslikanjem je predvsem v tem, da lahko izmerjeno 3D sliko predstavimo v poljubno izbranih2D rezih: na primer v ravninah xy, yz, xz, poleg tega lahko iz 3D-slike s posebnimi programiza obdelavo slik izračunamo tudi prostorsko podobo slikanega vzorca, in to iz poljubnegapogleda v prostoru. Prednost 3D MRI metode je tudi, da se lahko osredotočimo na pravvsako anatomsko podrobnost v sliki, saj nam to omogoča visoka ločljivost 3D slik in možnostprikaza vzorca v poljubnem prerezu. Tako je bilo na primer 3D MR slikanje uporabljenopri študiju impregnabilnosti cilindričnih vzorcev javorja[12]. Detekcija impregnacije temeljina tem, da se sredstvo delno pomeša z vodo, s tem se spremeni MR-signal, kar je mogočeopazovati na MR-slikah.

5.3.1 Raziskava bukve

Namen raziskave je bil preveriti možnost uporabe 3D MR slikanja za natančna nedestruktivnapreučevanja drevesnih tkiv in vivo, za določevanje struktur in eventualnih anomalij, določanjekoličine in porazdelitve vode, spremljanje obrambnih mehanizmov ter dehidracije po poškodbiv lesu. Za potrditev struktur, vidnih na MR-slikah, je bila uporabljena klasična svetlobnamikroskopija. S pomočjo MRI so želeli izdelati 3D-model za prostorski prikaz vode v lesu.

12

Slika 8: a) Namestitev RF-tuljave na odrezano vejico bukve in b) Bukev v laboratoriju medslikanjem. Slikana vejica je skupaj s tuljavo nameščena v odprtino horizontalnega superpre-vodnega magneta.[4]

Raziskava je bila narejena na tri metre visoki zdravi bukvi, ki je rasla v mešanem gozdu nanadmorski višini 470 m. V mesecu marcu je bila presajena v prenosno posodo, ki je omogočilatransportiranje v laboratorij. MR-slikanje je potekalo meseca maja v laboratoriju za slikanjez MR Oddelka za fiziko trdne snovi na Institutu Jožef Stefan. Za raziskavo so izbrali vejicopremera 5 mm, jo gladko odrezali s skalpelom in odrezani del vejice shranili za anatomskepreiskave. Na konec odrezane vejice na drevesu so namestili RF-tuljavo notranjega premera10 mm, ki omogoča visokoločljivo 3D MR-slikanje (slika 8a). Pred tem so okoli vejice navili 5mm širok trak tanke poliuretanske pene, ki je zagotovila tesno prileganje vejice v tuljavo. RF-tuljavo so nato skupaj z vejico namestili še v gradientno tuljavo in vse skupaj pred začetkomslikanja namestili v center horizontalnega superprevodnega magneta z gostoto magnetnegapolja 2,35 T (slika 8b). Magnet je bil povezan z NMR-spektrometrom. NMR-spektrometerje poglavitni sestavni del vsakega sistema za MR-slikanje, saj opravlja zaporedja za slikanjez MR, zajema in obdeluje NMR-signale in nadzira vso močnostno elektroniko, potrebno zaslikanje z MR. Po namestitvi v magnet so vejico dodatno učvrstili z vrvico in s tem preprečili,da bi se med slikanjem premikala. Najprej so opravili kratkotrajno (10 min) orientacijskoslikanje, tako imenovano 3D-pilotno slikanje, s katerim so lahko natančno določili lego vejicev magnetu. Na osnovi orientacijskih slik so potem nastavili območje in matriko pravegavisokoločljivega 3D-slikanja. To je potekalo in vivo s 3D spin-echo MR-mikroskopsko tehnikopri naslednjih parametrih slikanja: vidno polje (FOV ) 25 x 12.5 x 12.5 mm3, matrika slikanja256 x 128 x 128, čas spinskega odmeva TE = 2, 4 ms, hitrost ponavljanja zaporedja TR = 600ms in število povprečitev 8. Čas slikanja je bil 22 ur, prostorska ločljivost slikanja pa 100 µmv vseh treh dimenzijah. Po končanem slikanju so ponovno naredili orientacijsko sliko, s kateroso potrdili, da se vejica med slikanjem ni premaknila. Podatke, dobljene s 3D MR-slikanjem,so nato analizirali in obdelali s pomočjo računalniškega programa ImageJ. Poleg slikanja jebilo na vzporednih vzorcih opravljeno še NMR-merjenje relaksacijskih časov vejice T1 in T2

oziroma vode v vejici. Relaksacijska časa sta pomembna za pravilno nastavitev parametrovslikanja TE in TR, ki ob primerni izbiri lahko omogočata slikanje koncentracije vode v lesu.Ta pogoj je izpolnjen, ko je: TR � T1 ; TE � T2.

Anatomske preiskave so potekale na odrezanem, 15 mm dolgem delu vejice, na 18 µmdebelih rezinah odrezanih prečno in vzdolžno. Slike svetlobne mikroskopije so primerjali sslikami MR-mikroskopije.

5.3.2 Rezultati raziskave bukve

Svetlobna mikroskopija prečnega in vzdolžnega prereza je razkrila značilno anatomijo vejicebukve. Na prečnem prerezu so bile razločne tri zaključene branike. Poskus je bil napravljenv času, ko je že začel nastajati rani les četrte branike (mesec maj). Na obeh prerezih se lahkoopazi tudi skorjo in kambijevo cono, jasno se razločili stržen, radialne trakove in za bukev

13

značilno raztreseno porazdelitev trahej (sliki 9a in 9b). NMR-meritve relaksacijskih časov

Slika 9: Anatomija vejice bukve; svetlobna mikroskopija: a) prečni in b) radialni prerez; MR-mikroskopija: c) prečni in d) radialni prerez. Premer vejice je 5 mm. Svetlejše kot je območjena sliki veš vode vsebuje.[4]

vode v lesu so pokazale, da sta bila časa T1 = 30 ms in T2 = 4 ms. S parametri MR-slikanja jebilo tako približno zadoščeno pogoju za slikanje protonske gostote TR � T1 ; TE � T2, ki jeproporcionalna vsebnosti vode v lesu. Na MR-slikah prečnega in vzdolžnega prereza (sliki 9cin 9d) je signal vode v lesu izražen z intenziteto bele barve. Višja je vlažnost, močnejši je signalin svetlejši je prikaz na sliki. Vzdolžni prerez (slika 9d) prikazuje srednji sloj tkiva skozi stržen,prečni prerez (slika 9c) pa del vejice na razdalji 5 mm od mesta vzdolžnega prereza. Izkazalo seje, da MR-signal vode v posameznih strukturah dejansko pokaže anatomsko zgradbo vejice.Sliki svetlobne mikroskopije kažejo identične strukture (slika 9). Jasno se razloči stržen,radialno orientirane večredne trakove, traheje ranega lesa vseh treh zaporednih branik terkambijevo cono. MR-slike so razkrile tako strukture v lesnem tkivu kot njihovo funkcijo priprevajanju vode. Na slikah 9c in 9d se vidijo intenzivno svetla območja, ki predstavljajo tkivaz višjo vlažnostjo. Na obeh prerezih sta najbolj izrazita kambijeva cona in stržen, malo manjpa večredni radialni trakovi (9c) in traheje ranega lesa. Meja med ranim in kasnim lesom vbraniki je v primerjavi s svetlobno mikroskopijo presenetljivo razločna. Glede na raztresenrazpored trahej bi bilo pričakovati, da bo razporeditev vode bolj ali manj enakomerna po celibraniki. Podroben pregled slik je pokazal, da je višja koncentracija vode v posamezni branikiomejena le na območje ranega lesa, kar sicer velja za venčasto porozne vrste (npr. hrast). Tobi utegnilo pomeniti, da kljub difuznem razporedu trahej prevajanje vode pri bukvi potekapredvsem po trahejah ranega lesa.

Po poškodbi vejice (rez) se je na tem mestu pričakovalo delno dehidracijo lesnega tkiva. Spomočjo 2D MR-slik prečnih prerezov so raziskali delež vode in globino dehidracije. Izdelali soradialni vlažnostni profil tkiva (slika 10a) tik ob poškodbi (prekinjena črta) in profil intaktnegatkiva na globini 5 mm (polna črta) od mesta poškodbe po 22 urah. Vlažnost je prikazanaprimerjalno in je izražena z intenziteto slikovnih točk (0-250). NMR-metoda je v tem primerurazkrila, da delež vode v smeri proti mestu poškodbe pada. Analiza je pokazala, da je površinaizrazito izsušena. Kljub temu je mogoče še vedno razločiti stržen, območje kambijeve conein najbolj izrazito zadnjo braniko. Stržen je v primerjavi s kambijevo cono ohranil visokovlažnost. Raziskava je nadalje pokazala, da koncentracija vode od kambijeve cone v smeriproti strženu počasi pada in nato v strženu spet močno naraste. Boljšo predstavo o dehidracijiin porazdelitvi vlažnosti daje površinski diagram (slika 10b) iz MR-slike radialnega prereza(slika 9d). Na diagramu je lepo vidna osušena površina ob poškodbi in nato postopno višjavlažnost proti intaktnemu delu, ki je nekje na globini 5 mm od mesta poškodbe.

S pomočjo 3D MR-mikroskopije in računalniškega programa ImageJ so izdelali prostorski

14

Slika 10: a) Radialna porazdelitev vode na površini poškodbe (surface) in v intaktnem tkivu(intact) 5 mm od mesta poškodbe. Vlažnost je izražena z intenziteto sivine na sliki 9c.Območje kambijeve cone (CZ), rani les zadnjega prirastnega plašča (EW3), rani les drugegaprirastnega plašča (EW2) in stržen (P). b) Površinski diagram porazdelitve vlažnosti, kije izražena v enakih vrednostih kot sivine MR-slike (0-255). Zaporedni črtni diagrami, kise začnejo na površini poškodbe, prikazujejo naraščanje vlažnosti z oddaljenostjo od mestapoškodbe. Intaktno tkivo leži približno na globini 5 mm od poškodbe.[4]

model porazdelitve vode v lesu (slika 11). Izdelan je na podlagi MR-signala iz tkiv, ki imajoizrazito prevodno vlogo ali iz drugih razlogov vsebujejo večji delež vode. Na 3D-modelu soše bolj jasno kot na 2D-slikah vidne strukture v vejici z značilno višjo vlažnostjo. Najboljizrazita sta bila stržen in kambijeva cona. (slika 11).

Slika 11: 3D MR-model porazdelitve vode v vejici; bukev. Svetlo so prikazane strukture zvišjo vsebnostjo vode (območje kambijeve cone, stržen, radialni večredni trakovi in trahejeranega lesa).[4]

Na zunanji površini plašča, ki predstavlja kambijevo cono s prevodnim delom skorje, serazločno vidi vzdolžne brazde (slika 11). Podroben pregled je pokazal, da brazde, ki pote-kajo vzdolž osi stržena, pravzaprav ustrezajo položaju večrednih trakov, ki segajo iz skorje vkambijevo cono in les.

Študija je na podlagi obetavnih rezultatov pokazala široke možnosti uporabe NMR napodročju raziskav v lesarstvu. S pomočjo 3D MR-mikroskopije so pri prostorski ločljivostislikanja 100 µm lahko in vivo opazovali strukturo vejice in spremljali dinamičen odziv drevesana mehansko poškodbo. Na 3D-modelu so opazovali pojave, ki jih na običajnih MR-slikah alislikah svetlobne mikroskopije ni mogoče preiskovati. Velika prednost 3D MRI-metode je en-kratno zajemanje podatkov za celoten vzorec in možnost 3D-prikaza v kateremkoli prerezu alizaporedju prerezov skozi vzorec. Pri tem lahko poljubno izberemo orientacijo in lego prerezov,kar omogoča natančno preiskovanje posameznih anatomskih delov vzorca. Raziskovalci, ki sos pomočjo MR-slikanja raziskovali vlažnostna stanja v lesu, so vlažnost izražali na različne

15

načine. Vsi se bolj ali manj spretno izogibajo definiciji razmerja med MR-signalom in dejan-sko vlažnostjo lesa v %. Cilj nadaljnjih raziskav je določiti metodologijo slikanja, s katero bilahko MR-signalu pripisali točno določeno vrednost vlažnosti. To bi nam omogočilo izrednonatančne meritve in raziskave na področju vlažnosti lesa in dinamiki procesov, ki potekajo vlesu. Premer trahej pri bukvi je od 60-80 µm , in če bi uspelo povečati resolucijo slikanja, bilahko raziskovali vlažnost celo na nivoju posameznih celic vaskularnega sistema.

6 ZaključekZaključimo lahko, da je 3D MRI tehnika zelo perspektivna metoda za raziskovanje struktur inpojavov znotraj lesa, tako na laboratorijskih vzorcih kot tudi in vivo v drevesih. Je nedestruk-tivna, nekontaktna, relativno hitra metoda, ne povzroča nikakršnih strukturnih porušitev alipoškodb in omogoča spremljanje dinamičnih procesov v lesu. Žal visoka cena in nedostopnostnaprav za MR slikanje še vedno precej omejujeta obsežnejše raziskave, kljub temu pa so danesna voljo magneti z magnetnimi polji okoli 10 T, kar zelo pripomore k hitrosti in kakovostislikanja. Metoda bo omogočila nedestruktivno spremljanje vlažnosti v lesu in spremljanjeprocesov, ki so z vlažnostjo lesa neposredno povezani.

Poleg MR in navadne optične mikroskopije, bi lahko uporabili še konfokalni mikroskop,AFM, ali pa mikro CT (tega v Sloveniji ni).

Literatura[1] I. Serša (2002) : Slikanje z magnetno resonanco, Ljubljana, IJS, Privatna informacija

[2] F. Demšar, Jevtič, G. Bačić (1996): Slikanje z magnetno resonanco, Littera picta, Lju-bljana.

[3] H. H. Schild (1990): MRI made easy, Shering, Berlin

[4] M. Merela, I. Serša, U. Mikac, P. Oven Uporaba magnetno resonančnega slikanja zaraziskave anatomije in vlažnosti lesa, Zbornik gozdarstva in lesarstva 79 (2006), s. 75-84

[5] I. Leban (2004): Osnove lesarstva, Ljubljana, Lesarska založba

[6] A. Nanassy (1973) Use of wide line NMR for measurement of moisture content in wood,Wood science 5, s.187-193

[7] P. Wang, S. Chang, (1986) NMR of wood, Wood science 18, s. 308-314

[8] P. Wang, J. Olson, S. Chang, (1989) NMR imaging of internal features in wood, Forestproduct journal 39,s. 43-49

[9] E. Coates, S. Chang, T. Liao (1998) A quick defect detection algorithm for MRI ofhardwood logs, Forest product journal 48, s. 68-74

[10] S. Morales (2004) Computer reconstruction of pine growth rings using MRI, MRI 22, s.403-412

[11] L. Hall, V. Rajanayagam (1986) Evolution of the distribution of water in wood by use of3D NMR Wood science 20, s. 329-333

16

[12] J. P. Hornak: http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm (Referenca se nanaša nadatum 14.11 2007)

17