Ядерно-магнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс. Области применения ЯМР

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит. Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул. Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Открытие

ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. Они заметили, что ядра 1 H и 31 P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте. Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.

Спин и магнитные свойства

Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m. Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные - ненулевой. Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I , где γ - гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.

Магнитный момент ядра заставляет его вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом. Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В 0 , что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B 0 , а с высокой - в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов. Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.

Энергетические уровни

Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней. Для ядра со спином 1/2 их только 2 - низкий, занимаемый спинами, выровненными с B 0 , и высокий, занятый спинами, направленными против В 0 . Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ 0 , где m - магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.

Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ 0 , где ℏ - постоянная Планка.

Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.

Энергопереходы

Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни. Для большинства ЯМР-спектрометров В 0 имеет порядок 1 Тесла (Т ), а γ - 10 7 . Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 10 7 Гц. Энергия фотона представлена формулой Е = hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ 0 /2π.

Ядерное экранирование

Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием. Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР. Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер. Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр.

Релаксация

Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках. Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.

Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.

Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T 1 , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T 1 . В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T 2 . Оно может быть меньшим или равным T 1 .

Ядерный магнитный резонанс и его применение

Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, - это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.

Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом , используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации. В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.

МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем. ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.

Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике

Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля. МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани. Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном. При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.

Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид , который пациенты принимают перед процедурой. Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ. Наиболее перспективным является использование параводорода - формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.

Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей. Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах. Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.

Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости. Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение. МРТ в значительной степени вытеснила артрографию , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.

Применение в химии

Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений. В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами. Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1 H и 13 C, но подходит и множество других, таких как 2 H, 3 He , 15 N, 19 F и т. д.

Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии. С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа . Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне. Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.

Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул .
Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов .
Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей .
Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
Метаболический анализ.
Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.

Другие применения

Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры. Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей. Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.

Магнито-резонансные явления, их применение в медицине.

1. Расщепление энергетических уровней в магнитном поле. Эффект Зеемана.

2. Резонансные методы исследования вещества.

3. Магнитный резонанс.

4. Электронный парамагнитный резонанс

5. Ядерный магнитный резонанс

6. Метод ЭПР в биологии и медицине

1. Так как макроскопические свойства магнетиков обусловлены их строением, рассмотрим магнитные характеристики электронов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в магнитном поле.

Сила тока, соответствующая движению электрона, который вращается с частотой , равна

Где e-заряд электрона

Так как , то

Так как магнитный момент контура с током P=IS, то

(3)

Момент импульса электрона (1-й постулат Бора)

Отношение магнитного момента частицы к ее моменту импульса называют магнито-механическим

(4)

Магнито-механическое отношение выражают через множитель Ланде g:

(5)

Электрон обладает также и собственным моментом импульса, который называется спином. Спину соответствует магнитный момент. Спиновое иагнито-механическое соотношение вдвое больше орбитального:

(6)

Соотношения (5) и (6) показывают, что между магнитным и механическим моментом существует вполне определенная «жесткая» связь, так как e и m e –величины постоянные.

Рассмотрим атом, помещенный в магнитное поле. Его энергия определяется по формуле

(7)

Где E 0 -энергия атома в отсутствии магнитного поля

Магнетон Бора, g-множитель Ланде,

В-индукция магнитного поля,

m j -магнитное квантовое число.

Так как m j может принимать (2j+1) значений от +j до –j, то из (7) следует, что каждый энергетический уровень при помещении атома в магнитное поле расщепляется на 2j+1 подуровней. Это показано на рис. для j=1/2.

Расстояние между соседними подуровнями равно

Расщепление энергетических уровней приводит к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

Запишем (7) для двух подуровней Е 1 и Е 2 , образованных при наложении магнитного поля:

, (9)

Е 01 и Е 02 -энергии атома при отсутствии магнитного поля

Используя условие частот , (9) можно записать

Где -частота спектральной линии при отсутствии магнитного поля, -расщепление спектральной линии в магнитном поле.

Согласно правилам отбора для магнитного квантового числа Это соответствует трем возможным частотам:

Т.е. в магнитном поле спектральная линия расщепляется на триплет.

Примечание: в современной квантовой механике состояние движения электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами.

Главное квантовое число n=1,… -определяет уровни энергии электрона

Орбитальное квантовое число l=0.1…n-1-характеризует момент импульса электрона L e относительно ядра:

Магнитное квантовое число m j =0. всего 2l+1 значений. Оно определяет проекции орбитального момента импульса на произвольное направление z:

Основное квантовое число m s принимает значения +1/2 и -1/2 и характеризует значение проекции спина:

2. Резонансные методы исследования вещества , обладая высокой информативностью и точностью, позволяют исследовать химический состав, симметрию, структуру, энергетический спектр вещества, электрические, спин-орбитальные, магнитные, сверхтонкие взаимодействия.

Слово «резонанс» в широком смысле означает возрастание отклика колебательной системы на периодическое внешнее воздействие при сближении частоты последнего с одной из частот собственных колебаний системы.

Несмотря на различную природу колебательных систем, которые способны резонировать, общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системой извне.

Наиболее удобным и распространенным видом периодического внешнего воздействия является э/м излучение.

При квантовом описании колебательная система характеризуется набором разрешенных значений энергии (энергетическим спектром). Этот спектр для систем связанных частиц может носить дискретный характер. Переменное э/м поле частоты можно рассматривать как совокупность фотонов с энергией . При совпадении энергии фотона с разностью энергий каких-либо двух уровней наступает резонанс, т.е. резко возрастает число поглощаемых системой фотонов, вызывающих квантовые переходы с нижнего уровня E i на верхний E k .

Магнитный резонанс

Если облучать вещество переменным э/м полем, то при некоторой частоте будет происходить резонансное поглощение энергии э/м поля, которое можно измерить экспериментально. На практике удобнее частоту переменного поля (задаваемого генератором) зафиксировать, а менять величину постоянного магнитного поя Н. Тогда резонанс наступает при определенном значении поля Н, которое и измеряется. Это явление называется магнитным резонансом. Зная магнитный момент электрона, можно вычислить частоту электронного резонанса. В зависимости от типа частиц, составляющих резонирующую систему, различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

4. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) открыт в 1944 г. Е.К.Завойским при исследовании поглощения э/м энергии парамагнитными солями металлов. Он заметил, что монокристалл CuCl 2 , помещенный в постоянное магнитное поле 40Гаусс (4мТл), начинает поглощать микроволновое излучение с частотой около 133 МГц.

Специально вводимые в диамагнитные кристаллы примесные парамагнитные ионы оказались прекрасными зондами для изучения методом ЭПР локальной структуры и симметрии, природы химических связей примесного иона с кристаллическим окружением, электронно-колебательных взаимодействий и т.д.

Устройство радиоспектрометра ЭПР во многом напоминает устройство спектрофотометра для измерения оптического поглощения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Излучение, прошедшее через измеряемый образец, в радиоспектрометре и в спетрофотометре попадает на детектор, затем сигнал детектора усиливается и регистрируется на самописце компьютера.

5. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) состоит в резонансном поглощении э/м энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Частота э/м поля, вызывающего переходы между соседними уровнями, определяется условием частот Бора. При этом стало возможным детектирование сигналов от ядер, интенсивность сигналов ЯМР которых во много раз меньше интенсивности водородных сигналов.

Спектры ЯМР высокого разрешения обычно состоят из узких, хорошо разрешенных линий (сигналов), соответствующих магнитным ядрам в различном химическом окружении. Интенсивности (площади) сигналов при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер в каждой группировке, что дает возможность проводить количественный анализ по спектрам ЯМР без предварительной калибровки.

6. ЭПР в медицине и биологии .

Современные ЭПР-спектрометры позволяют изучать парамагнитные молекулы непосредственно в процессе функционирования биологических систем на разных уровнях их структурно-функциональной организации, таких, как молекулы биополимеров, макромолекулярные комплексы и субклеточные структуры, клетки, отдельные органы животных и растений, а также целые организмы.

Широкие возможности метода ЭПР в медицинской науке и практике продемонстрированы исследованиями, регистрирующими свободные радикалы в различных клеточных суспензиях: мышечной ткани, гипофизе, щитовидной железе, надпочечниках, эпителиальных клетках хрусталика глаза. Методом ЭПР было исследовано влияние некоторых токсичных веществ на человека.

Особый интерес для медицинской микробиологии могут представлять данные о том, что на содержание свободных радикалов в тканях, клетках и биомакромолекулах существенное влияние оказывают малые количества структурно связанной воды и кислород. Метод ЭПР использовался для контроля за сохранением таких биологических материалов, как кровь, вакцины, сыворотки, кровезаменители, пищевые продукты. Ряд тяжелых заболеваний, таких как холера, сахарный диабет и др., сопровождаются существенным обезвоживанием организма.

Особое направление в применении ЭПР - спектроскопии для биомедицинских исследований представляет так называемый спин-иммунологический метод. Его с успехом используют для определения малых количеств наркотических веществ в биологических жидкостях (моче, крови, слюне). В отличие от радио-иммунологического сип-иммунологический метод не требует специальной защиты для обеспечения безопасности, как это принято при работе с изотопами.

В ряде работ были показаны возможности метода ЭПР для диагностики ишемической болезни сердца. С использованием метода ЭПР можно диагностировать инсулинозависимый сахарный диабет по степени его тяжести.

С помощью метода ЭПР проводятся биодозиметрические обследования населения, пострадавшего при радиоактивном загрязнении окружающей среды.

Отрасль медицинской диагностики имеет в своем арсенале уже достаточно методов, позволяющих определить заболевание, поразившее тот или иной орган. МРТ (магнитно-резонансная томография) – обследование, прочно занявшее лидирующую позицию благодаря своим особенностям. Что такое МРТ и почему методика стала востребована в последние несколько десятилетий практически по всему цивилизованному миру, можно узнать при ознакомлении с принципом работы аппаратуры, применяемой для осуществления процедуры.

Немного истории

1973 год, в котором Пол Лотербур – профессор химии опубликовал свою статью о создании изображения на основе магнитного резонанса в научном журнале Nature, всеми единогласно принят за время основания метода. Немного позднее Питер Мэнсфилд – британский физик, усовершенствовал математические составляющие создания изображения. За вклад в создание магнитно-резонансной томографии оба ученых получили Нобелевскую премию в 2003 году.

Весомый прорыв в развитие метода произошел при изобретении МРТ-сканера американским ученым и врачом Реймондом Дамадьяном, одним из первых исследователей возможностей МРТ. По многочисленным сведениям, ученый является создателем и самого метода, так как еще 1971 году им была опубликована идея об обнаружении рака при помощи МРТ. Также имеется информация о подаче заявки в Комитет изобретений и открытий от советского изобретателя Иванова В.А. по данной теме, подробно описанной уже в 2000 году.

На чем базируется диагностика

Принцип действия МРТ основывается на возможности изучать ткани человеческого организма, исходя из их насыщенности водородом и магнитных свойств. Ядро водорода имеет один протон, содержащий спин (магнитный момент), который под действием магнитного и градиентных (дополнительных) полей, подаваемых на резонансной для него частоте, меняет ориентацию в пространстве.

По параметрам протонов, его магнитных моментов и их векторов, существующих только в двух фазах, а также привязке протона к спинам, можно сделать вывод, в какой тканевой субстанции расположен атом водорода. Воздействие на участок тела электромагнитным полем определенной частоты приводит к смене у части протонов магнитного момента на противоположный, а затем к возврату в исходную позицию.

Программа сбора данных МР томографа регистрирует выброс энергии, возникающей при релаксации возбужденных частиц – протонов. С момента создания метод получил название ЯМРТ (ядерно магнитно-резонансная томография), и назывался так вплоть до аварии на Чернобыльской АС. После было решено убрать из названия первое слово, чтобы не вызывать опасения у проходящих сканирование МРТ.

Особенности работы томографа

Аппарат для МРТ, что это такое, и каковы особенности его устройства? Первые приборы, с помощью которых осуществлялась процедура МРТ, создавали магнитное поле с индукцией 0,005 Тл (Тесла) и качество снимков было низким. Томографы нашего времени оснащены мощными источниками, создающими сильное электромагнитное поле. К ним относятся электромагниты с индукцией до 1–3 Тл, иногда до 9,4 Тл, работающие в жидком гелии, и постоянные магниты до 0,7 Тл, имеющие высокую мощность (неодимовые).

Постоянные вызывают в тканях более слабую магнитно-резонансную реакцию, чем электромагнитные, поэтому область использования первых весьма ограничена. Но при этом постоянные магниты дают возможность провести МРТ обследование при положении стоя, в движении и обеспечивать врачебный доступ к проходящему процедуру при выполнении как диагностических действий, так и лечебных. Такой контроль, позволяет делать МРТ, так называемый метод интервенционной магнитно-резонансной томографии.

Принцип строения томографа

Качество изображений, полученных на МРТ аппарате 3, и, к примеру, 1, 5 Тл, как правило, не отличается. Четкость снимков зависит от настроек оборудования. Но результаты обследования на томографах с индукцией 0,35 Тл будут намного ниже качеством, чем на аппаратах 1,5 Тл. Оборудование, генерирующее поле менее 1 Тл, не позволит получить информативные снимки внутренних органов (брюшной полости и малого таза).

На таких томографах проводится только лишь диагностика головы, позвоночника, суставов, когда описание МРТ не требует изображений высокой точности.

Почему в большинстве случаев выбирается МРТ?

МРТ диагностика и КТ (компьютерная томография) – два метода, основанные на получении послойных изображений органов. Томография в переводе с греческого – сечение. Но при этом методики имеют и различия – КТ выполняет снимки при использовании рентгеновских лучей, что подвергает организм человека лучевой нагрузке, иногда даже довольно большой. Несмотря на небольшую разницу в стоимости процедур, зачастую проводится МРТ, потому что КТ лучше визуализирует только костные ткани.

А в остальных случаях выбирается первая процедура, так как показывает МРТ все мягкие и хрящевые структуры, сосудистые и нервные образования разных размеров. Исследование выявляет множество патологических процессов самого разнообразного характера. К тому же процедуру, такую как МРТ можно назначать беременным и кормящим женщинам, детям, не боясь о возможном вреде их здоровью или внутриутробному развитию плода. Исследование имеет определенные противопоказания, но многие из них не являются абсолютными и при выполнении определенных условий его можно провести.

Когда необходима диагностика при использовании магнитного поля?

Показания к МРТ полностью основываются на ее диагностических особенностях, а именно на количестве молекул водорода в тканях. Так, практически во всех мягких и хрящевых образованиях, благодаря процедуре можно диагностировать следующие разновидности патологических процессов:

К тому же, после того как делают МРТ, становится доступно отследить изменения в сосудистых руслах кровеносной системы, а также лимфатической и ее узлах. Диагностика позвоночника данным методом позволяет воссоздать полное (трехмерное) изображение всех образующих его структур, и провести анализ деятельности опорно-двигательной, нервной и системы кровообращения.

МРТ головного мозга позволяет получить 3D модель органа

Эта особенность диагностики иногда заставляет пациентов, получивших назначение на процедуру задаться вопросом, зачем делают МРТ позвоночника, если костные ткани при обследовании визуализируются недостаточно хорошо? Рекомендация к прохождению обоснована, тем, что патологии позвоночника часто приводят к возникновению заболеваний окружающих тканей, например, тот же остеохондроз, вызывающий ущемление нервов.

В каких случаях нельзя проводить процедуру?

Даже учитывая, что МРТ – исследование безвредное и не инвазивное, все же есть причины, препятствующие его выполнению. Самая главная, которая и является абсолютным противопоказанием к процедуре – это наличие в теле металлических предметов. Причина, напрямую связанная с принципом проведения процедуры.

Поэтому, если у пациента присутствуют кардиостимулятор (водитель сердечного ритма), зубные и ушные несъемные металлические имплантаты, протезы клапанов сердца, ферромагнитные осколки, металлические пластины в костях, аппарат Елизарова, то на вопрос, можно ли делать МРТ, ответ однозначно отрицательный. Исключение только изготовленные имплантаты из титана, так как он не является ферромагнетиком и не отреагирует на воздействие магнитного поля.

Особую опасность предоставляют электромагнитные колебания для людей с кардиостимулятором, так как могут вывести его из строя, поставив жизнь пациента под угрозу. Относительных противопоказаний выделяется гораздо больше, но почти каждое из них можно обойти и провести процедуру при каких-либо способствующих обстоятельствах.

Так, к относительным препятствиям для проведения обследования причисляются:

клаустрофобия, психические и физиологические расстройства, проявляющиеся повышенной возбудимостью и невозможностью выдержать процедуру в спокойном состоянии;
общее тяжелое состояние пациента – необходимость постоянного контроля его основных жизненных показателей – дыхания, ритмов сердца, пульса, АД;
аллергическая реакция на контрастный препарат (в случае необходимости провести );
беременность первого триместра (врачи опасаются назначать процедуру на этом сроке, так идет закладка основных органов плода);
сердечная, дыхательная и почечная недостаточность в стадии декомпенсации;
ожирение 2–3 степени при массе свыше 120–150 кг.

Для каждой из вышеперечисленных ситуаций можно подобрать альтернативный вариант либо определиться необходимо ли МРТ настолько, или его можно заменить каким-либо другим обследованием. Можно избавить человека, страдающего клаустрофобией, от неудобств либо попробовать провести процедуру пациенту с большим весом, для чего делают МРТ на открытом томографе.

Аппарат МРТ с открытым контуром

Нужно ли подготавливаться к процедуре?

Диагностика электромагнитным полем не нуждается в подготовительном процессе. Нет необходимости придерживаться определенного режима питания и соблюдать диету. Только при необходимости исследовать органы малого таза нужно прийти на процедуру с наполненным мочевым пузырем – так как диагностирует МРТ данную область при расправленных стенках органа.

Существует еще один момент, который следует учитывать при назначении МРТ с контрастным усилением. Даже при условии, что для контрастирования применяются не вызывающие аллергические реакции препараты на основе солей гадолиния (Омнискан, Гадовист), все равно предварительно нужно провести тест. Нельзя исключать индивидуальную непереносимость каждого конкретного пациента.

Перед тем как идти на процедуру лучше всего будет продумать одежду и выбрать ту, которая не содержит металлических предметов – замков-молний, пуговиц, страз и других украшений. В некоторых частных клиниках предлагают переодеться в медицинскую сорочку, специально предназначенную для подобного рода мероприятий. Не следует приходить на МРТ в белье с люрексом, так как его нить создана с примесью железа.

Непосредственно перед диагностикой нужно снять все украшения, часы, очки, съемные зубные протезы и ушной аппарат.

Немаловажным моментом, который стоит не игнорировать, является посещение кабинета со всеми предыдущими, если таковые имеются, результатами обследований. Это позволит врачу сразу же сравнить новые снимки и сделать вывод об эффективности лечения или о скорости прогрессирования заболевания, либо его ремиссии. Аппараты МРТ создают настолько мощное магнитное поле, что в кабинете диагностики не присутствует никаких металлических предметов – кушеток, костылей, тростей и других личных вещей пациентов – все предметы остаются за дверью комнаты. После чего только пациенту разрешается проходить на диагностику.

Проведение исследования

Итак, полностью подготовленный пациент располагается на аппаратном столе-кушетке и медицинский персонал фиксирует его для обеспечения полной неподвижности, с учетом того, какую область нужно обследовать. Для закрепления тела больного применяются специально предназначенные ремни и валики. Параллельно ему объясняется, что работа томографа сопровождается довольно громким шумом – постукиванием, гулом, что это абсолютно нормально и не должно вызывать опасений.

Специальное крепление для проведения МРТ головы

Для комфорта при проведении процедуры обследуемому предлагаются наушники либо беруши, что поможет избавиться от неприятных шумовых эффектов. Уведомляют о наличии двухсторонней связи между диагностическим кабинетом и комнатой, в которой находится специалист, управляющий процессом. В любой момент, если пациент почувствует нарастание паники либо смены своего состояния в сторону ухудшения, можно сообщить врачу и он прервет сканирование.

Безусловно, будет хорошо, если пациент перед прохождением МРТ почитает отзывы о нем на любых интернет-порталах, оставленные людьми уже прошедшими диагностику. Тогда он сможет подготовиться морально. Если же он знает, что в подобных ситуациях может испугаться, то стоит заранее позвать с собою на процедуру близкого человека. Для этого нужно предварительно узнать, нет ли у сопровождающего лица противопоказаний к нахождению в электромагнитном поле, чтобы не принести ему вред и не создать помехи для проведения процедуры.

Если все условия выполнены, то кушетка томографа, на которой располагается пациент, задвигается в тоннель аппарата и запускается магнитно-резонансное сканирование. Сама процедура может длиться от 20 минут и до часа – это зависит от особенностей исследуемой области. Если же существуют показания МРТ с контрастированием, например, при подозрениях на онкологические процессы, то время диагностики, как правило, увеличивается вдвое.

После диагностирования

По окончании процедуры в большинстве клиник пациенту предлагается подождать 1–2 часа, пока врач расшифрует результаты исследования. После чего полученные данные выдаются на руки прошедшему обследование в виде снимков, а также на цифровых носителях – компактных дисках, которые доступно можно просмотреть в любое удобное время. Никакого дополнительного отдыха от МРТ не требуется – диагностика не влияет на физическое, психическое и эмоциональное состояние пациента. По завершении всех мероприятий, связанных с посещением клиники, он может заниматься своими привычными делами, в том числе и управлять различной техникой.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ядерно-магнитный резонанс

Введение

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Однако такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом. В зависимости от типа частиц - носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ядерный магнитный резонанс томография

1. Ядерно-магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) -- резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление магнитного резонанса было открыто в 1945--1946 гг. двумя независимыми группами ученых. Вдохновителями этого были Ф. Блох и Э. Пёрселл.

Физическая сущность ЯМР.В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля. Таким образом, ядра обладают угловым моментом J=hI, связанным с магнитным моментом м соотношением м=J, где h -- постоянная Планка, I -- спиновое квантовое число,-- гиромагнитное отношение.

Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением: JZ=hµI, где µI-- магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра µI=I, I-1, I-2, …, -I. то есть ядро может находиться в 2I+1 состояниях.

Спектры ЯМР.В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдаются узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения. Возможности метода ЯМР высокого разрешения связаны с тем, что ядра одного вида в различном химическом окружении при заданном приложенном постоянном поле поглощают энергию высокочастотного поля при разных частотах, что обусловлено разной степенью экранирования ядер от приложенного магнитного поля. Спектры ЯМР высокого разрешения обычно состоят из узких, хорошо разрешенных линий (сигналов), соответствующих магнитным ядрам в различном химическом окружении. Интенсивности (площади) сигналов при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер в каждой группировке, что дает возможность проводить количественный анализ по спектрам ЯМР без предварительной калибровки.

2. Использования ЯМР в медико-биологических исследованиях

Ядерным магнитным резонансом называется избирательное поглощение электромагнитных волн (читайте, радиоволн) веществом (в данном случае телом человека), находящимся в магнитном поле, что возможно благодаря наличию ядер с ненулевым магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле протоны и нейтроны этих ядер как маленькие магниты ориентируются строго определенным образом и меняют по этой причине свое энергетическое состояние. Расстояние между этими уровнями энергии столь мало, что переходы между ними способно вызвать даже радиоизлучение. Энергия радиоволн в миллиарды раз меньше, чем у рентгеновского излучения, поэтому они не могут вызвать какие-либо повреждения молекул. Итак, сначала происходит поглощение радиоволн. Затем происходит испускание радиоволн ядрами и переход их на более низкие энергетические уровни. И тот, и другой процесс можно зафиксировать, изучая спектры поглощения и излучения ядер. Эти спектры зависят от множества факторов и прежде всего - от величины магнитного поля. Для получения пространственного изображения в ЯМР-томографе, в отличие от КТ нет необходимости в механическом сканировании системой источник-детектор (антенна передатчик и приемник в случае ЯМР). Эта задача решается изменением напряженности магнитного поля в различных точках. Ведь при этом будет изменяться частота (длина волны), на которой происходит передача и прием сигнала. Если мы знаем величину напряженности поля в данной точке, то можем точно связать с ней передаваемый и принимаемый радиосигнал. Т.е. благодаря созданию неоднородного магнитного поля можно настраивать антенну на строго определенный участок органа или ткани без ее механического перемещения и снимать показания с этих точек, лишь меняя частоту приема волны. Следующий этап - обработка информации от всех просканированных точек и формирование изображения. В результате компьютерной обработки информации получаются изображения органов и систем в «срезах», сосудистых структур в различных плоскостях, формируются трехмерные конструкции органов и тканей с высокой разрешающей способностью.

В чем же преимущества ЯМР-томографии?

Первое преимущество - замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача.

Второе преимущество - чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей.

Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.

Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.

Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования - можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.

И, наконец, шестое - МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.

Конечно же, как и любая другая методика, ЯМР-томография имеет свои недостатки. К ним относят:

1. Необходимость создания магнитного поля большой напряженности, что требует огромных энергозатрат при работе оборудования и/или использования дорогих технологий для обеспечения сверхпроводимости.

2. Низкая, особенно в сравнении с рентгенологическими, чувствительность метода ЯМР-томографии, что требует увеличения времени просвечивания. Это приводит к появлению искажений картинки от дыхательных движений (что особенно снижает эффективность исследования легких, исследовании сердца).

3. Невозможность надежного выявления камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур.

4. Не следует забывать и о том, что относительное противопоказание для ЯМР-томографии - беременность.

Заключение

История науки учит нас, что каждое новое физическое явление или новый метод проходит трудный путь, начинающийся в момент открытия данного явления и проходящий через несколько фаз. Сначала почти никому не приходит мысль о возможности, даже весьма отдаленной, применения этого явления в повседневной жизни, в науке или технике. Затем наступает фаза развития, во время которой данные экспериментов убеждают всех в большой практической значимости данного явления. Наконец, следует фаза стремительного взлета. Новые инструменты входят в моду, становятся высокопродуктивными, приносят большую прибыль и превращаются в решающий фактор научно- технического прогресса. Приборы, основанные на когда-то давно открытом явлении, заполняют физику, химию, промышленность и медицину.

Наиболее ярким примером изложенной выше несколько упрощенной схемы эволюции служит явление магнитного резонанса, открытое Е. К. Завойским в 1944 г. в форме парамагнитного резонанса и независимо открытого Блохом и Парселлом в 1946 г. в виде резонансного явления магнитных моментов атомных ядер. Сложная эволюция ЯМР часто толкала скептиков к пессимистическим заключениям. Говорили, что “ ЯМР мертв “, что “ ЯМР себя полностью исчерпал“. Однако вопреки и наперекор этим заклинаниям ЯМР продолжал идти вперед и постоянно доказывал свою жизнеспособность. Много раз эта область науки оборачивалась к нам новой, часто совсем неожиданной стороной и давала жизнь новому направлению. Последние революционизирующие изобретения в области ЯМР, включая удивительные методы получения ЯМР - изображений, убедительно свидетельствуют о том, что границы возможного в ЯМР действительно безграничны. Замечательные преимущества ЯМР - интроскопии, которые будут высоко оценены человечеством и которые сейчас являются мощным стимулом стремительного развития ЯМР - интроскопии и широкого применения в медицине, заключаются в очень малой вредности для здоровья человека, свойственной этому новому методу.

Список использованной литературы и источников

1. Антонов В. Ф., Коржуев А. В. Физика и биофизика: курс лекций для студентов медицинских вузов. - Москва: ГЭОТАР-МЕД, 2004.

2. Кузнецов А.Н. Метод спинового зонда. - Москва: Наука, 1976.

3. Материалы сайта www.wikipedia.org

4. Материалы сайта www.humuk.ru;

5. Ремизов А. Н., Максина А. Г., Потапенко А. Я. Медицинская и биологическая физика. - Москва: Дрофа, 2003.

6. Хауссер К. Х., Кальбитцер Х. Р. ЯМР в медицине и биологии: структура молекул, томография, спектроскопия in-vivo. - Киев: Наукова думка, 1993.

7. Эмануэль Н. М., Кузьмин М. Г. Электронный парамагнитный резонанс. - Москва: Издательство Московского университета.1985.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Физическое явление ядерно-магнитного резонанса, условия для его возникновения. Принцип получения изображения в магнитно-резонансном томографе. Получение двумерного изображения. Основные преимущества постоянных, резистивных и сверхпроводящих томографов.

презентация , добавлен 13.10.2013

Методы современной диагностики. Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Сущность явления ЯМР. Спин-спиновое взаимодействие. Анализаторы веществ на основе ЯМР. Техническая реализация ЯМР-томографа. Основные блоки магниторезонансной томографии.

реферат , добавлен 12.05.2015

История открытия и сущность ядерно-магнитного резонанса. Спин-спиновое взаимодействие. Понятие магнитно-резонансной томографии (МРТ). Контрастность изображения: протонная плотность, Т1- и Т2-взвешенность. Противопоказания и потенциальные опасности МРТ.

реферат , добавлен 11.06.2014

Обеспечение селективности при качественном анализе избирательным поглощением монохроматического света. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Спектральные линии для проверки шкалы длин волн. Калибровка оборудования, а также подготовка образцов.

реферат , добавлен 30.04.2014

Преимущества диагностического способа магнитно-резонансной томографии в акушерстве для прямой визуализации плода. Показания, методика и особенности проведения исследования. Специфика подготовки к МРТ беременной женщины. Ограничения и безопасность метода.

презентация , добавлен 15.02.2016

Электротерапия - метод физиотерапии, основанный на использовании дозированного воздействия на организм электрических токов, магнитных или электромагнитных полей. Механизм действия и эффект от методов. Особенности лечения постоянным и импульсным током.

реферат , добавлен 17.12.2011

Процессы в замкнутом волноводном тракте. Поляризация и наложение волн, резонанс бегущей и стоячей волны в волноводе. Основными элементами системы генератора качающейся частоты. КСВН волноводной кольцевой системы в режиме бегущих и стоячих волн.

отчет по практике , добавлен 13.01.2011

Сущность и значение метода магнитно-резонансной томографии, история его формирования и развития, оценка эффективности на современном этапе. Физическое обоснование данной методики, порядок и принципы построения изображений. Определение и выделение среза.

реферат , добавлен 24.06.2014

Возможности использования ядерно-физических феноменов для исследования больных. Методы радионуклидного исследования. Клиническая и лабораторная радиометрия. Радионуклидное сканирование и сцинтиграфия. Радиоизотопная диагностическая лаборатория.

реферат , добавлен 24.01.2011

Условия достижения эффекта томографии. Основные задачи и направления применения рентгенологического исследования - ангиографии, венографии и лимфографии. История открытия, принцип действия и преимущества использования метода компьютерной томографии.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) выполняется с использованием ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) - одного из новейших достижений медицинской науки в области диагностики. Основное условие для создания этого технического шедевра - современнейшие компьютеры и компьютерные программы.

Этот метод от обычной компьютерной томографии отличается способом получения изображения. Вместо обычных рентгеновских лучей используется сильное магнитное поле. Во время этого обследования больной не подвергается радиоактивному рентгеновскому облучению, не возникают побочные реакции, характерные для облучения.

Как проводится МРТ?

Основные необходимые приборы для выполнения этого метода - большая магнитная цилиндрическая труба и компьютер. Для получения изображения используется особенное свойство атомов излучать электромагнитные волны под воздействием сильных магнитных импульсов. В зависимости от плотности ткани, поток электромагнитных волн будет различным, и на компьютере будет получено их изображение. Пациента помещают в «магнитную трубу» и кратковременно активизируют магнитное поле. Специальное устройство регистрирует электромагнитные волны, идущие от тела обследуемого, компьютер эти волны превращает в изображение. Если необходимо получить несколько изображений срезов, то измерения должны быть повторены. Ряд срезов компьютер может превратить в трехмерное пластическое изображение.

Что можно диагностировать с помощью МРТ?

Метод МРТ является одним из наиболее точных в диагностике. При его применении обнаруживают изменения белого вещества мозга, выполняют специальные исследования кровеносных сосудов, исследование циркуляции мозговой жидкости, а с помощью новейшей техники - исследование энергетического обмена мозга и обмена веществ в мозге. Обычная компьютерная томография незаменима при диагностике травм, кровяного давления, переломов костей. С помощью ЯМР лучше всего исследовать ткани, в которых много жидкости. Его можно использовать при изучении внутренних органов - сердца и почек.

Опасна ли МРТ?

До сих пор нет данных, что эти обследования вредны для человека. Однако магнитное поле при обследовании пациентов, в теле которых находятся металлические протезы и имплантаты, может вызвать у них проблемы. В этих случаях применение МРТ запрещено. При работе с этим аппаратом в одежде не должно быть никаких металлических предметов.

Единственная проблема магнитно-резонансной томографии - дороговизна. Это обследование выполняется только в случае невозможности диагностирования другими методами. Кроме того, для выполнения этого исследования необходимо больше времени. Несколько ограниченны возможности обследования детей из-за их страха перед закрытыми пространствами (необходимость нахождения в цилиндрической «трубе»).

Этот исследовательский метод постоянно совершенствуется. Магнитно-резонансная томография - информативный, безопасный метод диагностики, позволяющий получить изображения органов в различных плоскостях. На экране компьютера видно трехмерное изображение, что, например, позволяет осмотреть мозг человека со всех сторон и на любой глубине.