Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Ядерный магнитный резонанс

Атомы, как известно, состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Ядро несет положительный заряд, кратный заряду протона, и имеет собственный магнитный момент. Следовательно, ядро напоминает маленький магнит с определенным магнитным моментом.

Ядерным магнитным резонансом называют выборочное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Между магнитным моментом и спином ядра имеется такая зависимость:

ps = ysg,

где ps - магнитный момент; В - гиромагнитного отношения; s - спин ядра.

Ядра с четным количеством нуклонов не имеют спина, магнитный момент их равна 0.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) может происходить на ядрах, имеющих спин 1 / 2 ('#, 13С> l5N> 31Р> l9F и др.). Во внешнем магнитном поле они могут находиться в двух энергетических состояниях, ориентируясь в направлении поля (ms = +1 / 2) или против него (mf =- l / 2).

В постоянном магнитном поле ядра вращаются вокруг силовых линий поля. Это вращение называют прецессией. Оно характеризуется определенной частотой для различных типов ядер и зависит от напряженности магнитного поля.

Расстояние между энергетическими уровнями зависит от магнитного момента ядра, индукции магнитного поля и определяется так:

Во время действия высокочастотного импульса, если его частота совпадает с частотой прецессии ядер, эти ядра переходят в возбужденное состояние. Это и есть явление ЯМР. Однако такие переходы ядер в возбужденное состояние с поглощением энергии происходят до определенного момента, до насыщения. Если прекратить подачу высокочастотного сигнала, то ядра атомов ве ¬ вины образца будут возвращаться на более низкий уровень, излучая энергию. Образец размещен в катушке, она воспринимает энергию и преобразует ее в электрический ЯМР-сигнал.

ЯМР-сигнал характеризуется интенсивностью и временем релаксации, т.е. время возвращения возбужденных ядер в начальный энергетическое состояние. Продолжительность релаксации зависит от типов энергетического взаимодействия ядер. Время спин-спиновой (Т2) релаксации характеризует скорость установления равновесного распределения ядер в спиновых системах, а время спин-решеточного релаксации (Тх) - скорость установки системы ядерных спинов с другими степенями свободы (решеткой) образца. В ре ¬ динах Тх и Т2 примерно равны 1с, соответствующей ширине резонансной линии - 1 Гц. Для твердых тел Т2 меньше, чем Гг, и измеряется в мс. Основными параметрами ЯМР является химический сдвиг и константа спин-спинового взаимодействия.

Если атом находится в постоянном магнитном поле, то его электронная оболочка взаимодействует с внешним полем Во. Тогда возникает дополнительное магнитное поле В противоположного направления:

где а не зависит от Во, но зависит от электронного окружения и называется постоянной экранирования. Вследствие экранирования на ядро действует локальное поле:

Отк = В0-АВ0 = В0 (1 - (т).

Экранирование ядер предопределяет сближение уровней энергии, и для резонанса требуется сильнее поле (с большей индукцией), чем для неэкранированного ядра.

В образцах всегда есть несколько групп ядер одного изотопа, однако они являются составными молекул одного или разных веществ и поэтому имеют разные стали экранирование. Эти группы ядер дают полосы в разных участках ЯМР-спектра.

Смещение ЯМР-сигнала в зависимости от химического окружения, обусловленное различными постоянными екрануван ¬ ния, называется химическим сдвигом. Этот параметр измеряется в герцах и зависит от индукции магнитного поля. На практике используют не абсолютные значения химического сдвига, а его относительное значение (относительное изменение индукции поля или частоты): можно получить также, используя значения спин-спиновых взаимодействий ядер. Это явление обусловлено магнитным взаимодействием химически неэквивалентных ядер, происходящая из электронные облака атомных связей и вызывает дополнительное расщепление сигналов в спектре, но быстро угасает с увеличением расстояния между подуровнями.

Интенсивность ЯМР-сигналов, значения химического сдвига, полуширина и площадь полосы определяются магнитными и электронными свойствами самих ядер и свойствами атомов, групп атомов и молекул, окружающих эти ядра. Поэтому, очевидно, существует тесная связь между структурой вещества и ЯМР-спектром, который можно использовать для исследования этой структуры.

По значению химического сдвига ядер можно оценить характер распределения электронной плотности молекул.

Информацию о структуре органических соединений Генератор создает поле с индукцией, а перпендикулярное поле Во созданное постоянным магнитом. При условии, что v = v0, происходит резонансное поглощение, в результате чего в контуре спадает напряжение. Спад напряжения регистрируется детектором, усиливается и подается на осциллограф. Поле с индукцией ВИ меняется на 1СГ3 Тл с частотой от 50 Гц до 1 кГц. Такую же частоту имеет горизонтальная развертка осциллографа. На экране получаем полосу поглощения.

ЯМР-ТОМОГРАФИЯ

Из всех видов компьютерных томографов наиболее перспективной является система, в которой используется ядерный магнитный резонанс. Эта система позволяет получить изображения любых сечений органов человеческого организма.

Для понимания принципа действия ЯМР-томографа еще раз кратко вспомним суть ЯМР.

Ядра фосфора, фтора, водорода и других элементов, содержащихся в организме человека, подобные волчка, которая вращается вокруг своей оси. Это свойство элементарных частиц и атомов называют спином. Если образец поместить в постоянном магнитном поле, то оси "волчков" ориентируются в направлении линий индукции поля: одни - вдоль поля, другие - против него. Если перпендикулярно подать переменный высокочастотный сигнал (радиоволны), то ядерные волчка получат энергию и вращаться вокруг силовых линий магнитного поля на четко определенной резонансной частоте (отсюда и название - ядерный магнитный резонанс).

В определенный момент выключаем генератор, который создавал радиоизлучения, и действие его на ядра прекращается. Однако ядра по инерции еще некоторое время продолжают прецессию. Постепенно это движение ослабляется, но все время говорят, что "звучит" спиновое эхо. По интенсивности этого эха и скоростью его угасания можно судить о свойствах вещества: чем больше плотность, тем быстрее угасает эхо.

Пусть объект находится в магнитном поле определенной формы и индукции. Раскачав ядерные волчка, будем регистрировать их спиновое эхо. Проработав на ЭВМ результаты измерений, получим пространственное распределение концентрации ядер, а также время, за которое угасает спиновое эхо - ЯМР-томограмму.

Вода - основная составляющая биологических объектов, так исследуемым сигналом при ЯМР-томографии является сигнал протонного магнитного резонанса молекул воды.

Частота ЯМР-сигнала пропорциональна индукции внешнего магнитного поля. Поэтому, создав градиент магнитного поля в ткани, получим спектр ЯМР, в котором интенсивность сигнала при определенной частоты характеризует относительное содержание воды в той части ткани, расположенной в области определенного значения магнитного поля.

Исследуемый биологический объект рассматривают с разных сторон в магнитном поле. По полученным проекциями, используя компьютер, получают изображение. В разных частях образца амплитуда ЯМР-сигнала разная. Это позволяет исследовать каждую точку биологического объекта. Таким способом можно определить величину и положение опухолей в организме. Тканям опухолей свойственна большая намагниченность, поэтому ЯМР-сигнал воды опухоли насыщается легче, чем сигнал нормальной ткани. Такой метод исследования можно использовать для получения изображений органов грудной клетки или определенных участков черепа. Кроме протонного резонанса, в биологических исследованиях используют спектроскопию ЯМР на других ядрах: 13С, 31Р подобное.

Если ЯМР-томограф настроить на определенную частоту радиоизлучения и индукцию поля, то отреагируют ядра типа атомов, например водорода, фосфора. Можно исследовать также ядра других элементов. Таким образом, ЯМР-томография позволяет исследовать тонкие химические процессы в тканях человека. ЯМР-томография имеет не только большие диагностические возможности, но и гарантирует полную безопасность для пациента. Это метод визуализации и точных измерений внутренних структур сложных объектов без их разрушения.

ЯМР-томография

В основе ядерно-магнитно-резонансной томографии (ЯМР-томографии) лежит явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Как оказывается, система протонов ядра, находящихся во внешнем магнитном поле с индукцией, может резонансно поглощать энергию высокочастотного электромагнитного поля с частотой vp, что лежит в радиодиапазоне (чаще всего в СВЧ-диапазоне).

По условию резонанса резонансная частота vp прямо пропорциональна индукции магнитного поля и может меняться в довольно широких пределах. Это явление дает очень ценную информацию о пространственного распределения ядер в определенном объеме, находящийся в магнитном поле.

Упрощенный принцип работы ЯМР-томографа можно объяснить так: на биообъекты 1, помещенный в катушку 2 и в магнитное поле 3, действуют импульсами от генератора 4.Эти импульсы через радиочастотный передатчик 5 действуют на биообъекты, в котором вследствие явления магнитного резонанса протона отзываются соответствующим сигналом, поглощая энергию радиочастотного электромагнитного поля. Этот сигнал протонного магнитного резонанса (ПМР), который является частном случае ЯМР, измеряется приемником 6 и подается на компьютер 7, который обрабатывает сигнал и одновременно определяет режим работы генератора радиоимпульсов 4.

Важными задачами, связанными с практической реализацией метода ЯМР-томографии являются: 1) создание необходимой конфигурации магнитного поля, 2) восстановление (визуализация) изображение исследуемого биообъекта.

Для решения первой задачи исследуемый объект помещается в магнитное поле, индукция которого линейно изменяется в каком (одном, двух, а чаще всего - в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В таком случае говорят о линейный градиент магнитного поля, для которого изменение индукции с координатой х происходит по закону

В (х) = Вй + ах,

где а = dBJdx = const - постоянная величина, которая характеризует градиент магнитного поля; Во - определенное значение индукции, что достигается внутри исследуемого объекта. Вертикальные линии условно изображают витки катушки, по которой пропускается ток, создающий магнитное поле.

Как известно, произведение силы тока / на количество витков п, приходящихся на единицу длины катушки, определяет индукцию В на оси такого соленоида (В ~ / • а). Понятно, что можно накрутить металлический провод так, чтобы количество витков п и соответственно индукция В менялись линейно вдоль оси х, обеспечивая тем самым выполнение зависимости. Поскольку магнитное поле меняется в направлении х, то на основании условия резонанса будет в этом направлении меняться и резонансная частота vp. Далее, учитывая тот факт, что площадь под кривой поглощения в спектре ПМР определяет количество протонов, входящих в состав ядер определенных химических элементов, можно получить пространственное распределение плотности протонов (то есть атомных ядер) вдоль оси х. Таким способом получают одномерную проекцию биообъектов.

Решение второй задачи - восстановления объемного изображения - стало возможным благодаря работам П. Лаутербурга и других ученых, которые использовали для этого так называемый метод восстановления с проекциями. Суть этого метода заключается в получении многих одномерных проекций исследуемого объекта. Это достигается изменением направления градиента индукции магнитного поля за счет изменения силы тока в трех взаимно перпендикулярных катушках (соленоида). В отличие от рентгеновской томографии такой метод позволяет исключить механические перемещения исследуемого биообъекта или аппаратурных частей томографа.

Еще одна особенность метода компьютерной томографии заключается в возможности получения информации (изображений) от тонких слоев трехмерного биообъектов. В методе ЯМР-томографии это достигается двумя способами.

1) за счет использования специальной математической обработки изображений (в частности, так называемого преобразования Родона и трехмерных Фурье-преобразований);

2) за счет выборочного (селективного) возбуждения тонкого слоя биообъектов.

Следует отметить, что на сигнал (точнее говоря, на соотношение сигнал-шум) в ЯМР-томограммах влияет не только плотность протонов, но и целый ряд внутренних и внешних факторов (температура, состав тканей, диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные примеси, параметры аппаратуры, специфические особенности компьютерных программ и т.д.). Изменяя эти факторы (например, параметры последовательности радиочастотных импульсов), можно добиться существенного улучшения контраста изображения в методе ЯМР-томографии. Этот метод находит все более широкое применение в медицине благодаря таким его достоинствам, как отсутствие дозовых нагрузок (по сравнению с рентгеновскими томографами) и возможность получения контрастных изображений с целью эффективности диагностики различных патологий.

  • Категории раздела:
  •      Другое
  • Смотрите также:
  •  



    Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
    Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
    Яндекс.Метрика