Ядерно магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЯМР был открыт в 1946 американскими физиками Э.Перселлом и Ф.Блохом. Работая независимо друг от друга, они нашли способ резонансной «настройки» в магнитных полях собственных вращений ядер некоторых атомов, например водорода и одного из изотопов углерода. Когда образец, содержащий такие ядра, помещают в сильное магнитное поле, их ядерные моменты «выстраиваются» подобно железным опилкам вблизи постоянного магнита. Эту общую ориентацию можно нарушить радиочастотным сигналом. По выключении сигнала ядерные моменты возвращаются в исходное состояние, причем быстрота такого восстановления зависит от их энергетического состояния, типа окружающих ядер и ряда других факторов. Переход сопровождается испусканием радиочастотного сигнала. Сигнал подается на компьютер, который обрабатывает его. Таким путем (метод компьютерной ЯМР-томографии) можно получить изображения. (При изменении внешнего магнитного поля малыми ступенями достигается эффект трехмерного изображения.) Метод ЯМР обеспечивает высокую контрастность разных мягких тканей на изображении, что крайне важно для выявления больных клеток на фоне здоровых. ЯМР-томография считается более безопасной, нежели рентгеновская, поскольку не вызывает ни разрушения, ни раздражения тканей (см. также РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). ЯМР позволяет также изучать живые клетки, не нарушая их жизнедеятельности. Поэтому следует ожидать, что применение ЯМР в клинической медицине будет расширяться.См. также ХИРУРГИЯ.

Ядерный магнитный резонанс

Я́дерный магнитный резонанс

(ЯМР)

избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. На явлении ЯМР основан метод изучения структуры и молекулярного движения в различных веществах, в т.ч. в биологических объектах.

Ядра атомов большинства химических элементов (за исключением ядер с четным числом протонов и нейтронов) обладают так называемым спином, т.е. моментом количества движения и обусловленным им постоянным магнитным моментом. При помещении в постоянное магнитное поле магнитный момент системы ядер, подобно вращающемуся волчку, выведенному из вертикального положения, движется по поверхности конуса вращения вокруг оси направления поля (прецессионное движение). Воздействие внешнего переменного электромагнитного излучения с данной частотой на ядра, находящиеся в постоянном магнитном поле, приводит к избирательному (резонансному) поглощению энергии электромагнитного излучения и появлению сигнала ЯМР. Разным ядрам соответствуют различные частоты резонанса. Для изучения биологических систем обычно используют ЯМР ядер водорода — протонов (протонный магнитный резонанс) и дейтерия углерода , и др.

Применение ЯМР для структурных исследований основано на том, что помимо внешнего магнитного поля на ядро в веществе действуют различные внутренние поля. Они приводят к сдвигу частоты резонанса, расщеплению на несколько или множество резонансных линий, т.е. к образованию спектра ЯМР, к изменению формы линий, времени релаксации.

Изучение спектров ЯМР позволяет сделать вывод о химической и пространственной структуре различных веществ без проведения химического анализа.

В медико-биологических исследованиях метод ЯМР используют для установления структуры биологически активных веществ и изучения механизмов их действия. Важной особенностью метода, особенно для биологии и медицины, является низкая энергия используемых в ЯМР излучений, что существенно снижает их вредное воздействие на организм.

Картину пространственного распределения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-интроскопии (ЯМР-томографии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали свои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов измерений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдении магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

При регистрации ЯМР-изображения амплитуда резонанса в каждом элементе объема может быть выражена через интенсивность освещения или в цветовой шкале. Так, кровеносные сосуды в ЯМР-изображении выглядят темными вследствие оттока крови из исследуемого объема за время измерения. Для магнитных моментов ядер в различных элементах объема может быть измерено время релаксации, в частности по уменьшению амплитуды резонанса, не успевающей полностью восстановиться при достаточно большой частоте следования импульсов. Это увеличивает контрастность в изображении различных тканей, что используют, например, чтобы различить изображения серого и белого вещества мозга, опухолевых клеток от здоровых. Достоинством метода ЯМР-интроскопии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность (рис. 1, 2).

Библиогр.: Гюнтер X. Введение в курс спектроскопии ЯМР, пер. с англ, М., 1984, библиогр.; Цыб А.Ф. и др. Медздинская ЯМР — спектро- и интроскопия, достижения и перспективы. Мед. радиол., т. 28, № 6, с. 86, 1983.

Рис. 2. Цветная ЯМР-томограмма головы (аксиальный срез) при опухоли, распространяющейся в правый боковой желудочек: боковой желудочек растянут и деформирован, продольная борозда смещена (ткань головного мозга и ткань опухоли — желтого цвета, боковые желудочки — синего цвета).

Рис. 1. Цветная ЯМР-томограмма головы (аксиальный срез на уровне основания головного мозга) при краниофарингиоме: на фоне нормальной ткани головного мозга зеленого и белого цвета в центре видны опухоль ярко-желтого цвета и расширенные рога боковых желудочков головного мозга синего цвета.

Источник: Медицинская энциклопедия на Gufo.me

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

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. ЯМР — один из методов радиоспектроскопии. Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H0, на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле H ^ H0. Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения и магнитным моментом:

m= gI. (1)

Здесь I — спин ядра, g — гиромагнитное отношение (величина, характерная для данного вида ядер), — Планка постоянная. Частота, на которой наблюдается ЯМР:

w0 = gH0. (2)

Для протонов в поле H0 = 104 эw/2p= 42,57 Мгц; для большинства ядер эти значения лежат в диапазоне 1—10 Мгц. Порядок величины резонансного поглощения определяется равновесной ядерной намагниченностью вещества (ядерным парамагнетизмом):m0= c0H0, где c0 — статическая ядерная восприимчивость.

ЯМР, как и другие виды магнитного резонанса, можно описать классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле H0 пара сил, обусловленная магнитным моментом m, вызывает прецессию магнитного и механического моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент m прецессирует вокруг направления H0 с частотой w0 = gH0,угол прецессии d остаётся неизменным (рис. 1). В результате воздействия радиочастотного поля H1 резонансной частоты w0 угол d изменяется со скоростью gН1рад/сек, что приводит к значительным изменениям проекции m на направление поля H0 даже в слабом поле H1.

С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных дипольных моментов ядра с полем H0. В простейшем случае изолированных, свободных от других воздействий ядерных спинов, условие (m = I, I — 1,…, …, — I) определяет систему (2I + 1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле H0. Частота w0 соответствует переходу между двумя соседними уровнями.

Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, например кристаллической решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации). Релаксационные процессы характеризуются постоянными T1 и T2, которые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле H0 (спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутренними взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения Ti лежат в пределах от 10-4 сек для растворов парамагнитных солей до нескольких ч для очень чистых диамагнитных кристаллов. Значения Ti изменяются от 10-41 сек для кристаллов до нескольких сек для диамагнитных жидкостей. Ti и Ti связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T1 и T2, как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значительным уменьшением T1. Большие T1 в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутренних магнитных полей. В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах основной механизм релаксации — взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот (см. Найтовский сдвиг).

Резонансная линия имеет ширину Dw = 2/T2 (рис. 2). В сильных полях H1 наступает «насыщение» — увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при ½g½H1 > (T1T2)-1/2. Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем H1. Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.

Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрического квадрупольного момента ядер Q с локальным электрическим полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (например, 73Ge в тетраэдрической молекуле GeCl4). В кристаллах квадрупольное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР»mН0. В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадрупольным резонансом.

Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином I =1/2и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения).

Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер 19F, 13C, 31P и некоторых других ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (например, линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линий (рис. 3), что связано с двумя эффектами. Первый, так называемый химический сдвиг, — результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем H0.

Возмущение состояний электронов вызывает уменьшение постоянной составляющей поля, действующего на ядра, пропорциональное H0. Величина химического сдвига зависит от структуры электронных оболочек и, т. о., от характера химических связей, что позволяет судить о структуре молекул по спектру ЯМР. Вторым эффектом является непрямое спин-спиновое взаимодействие. Непосредственное магнитное взаимодействие ядер в подвижных жидкостях затруднено из-за броуновского движения молекул; непрямое спин-спиновое взаимодействие обусловлено поляризацией электронных оболочек полем ядерных моментов. Величина расщеплений в этом случае не зависит от H0.

Наблюдение спектров ЯМР осуществляется путём медленного изменения частоты со поля H1 или напряжённости поля H0. Часто применяется модуляция поля Но полем звуковой частоты. При исследованиях кристаллов лучшую чувствительность даёт метод «быстрой модуляции»: поле H0 модулируется звуковой частотой так, что процессы, определяемые временем релаксации T1, не успевают завершиться за период модуляции, и состояние системы спинов нестационарно. Применяются также импульсные методы (воздействие поля H1 ограничено во времени короткими импульсами). Важнейшие из них — метод спинового эха и фурье-спектроскопия.

Эдс индукции пропорциональна H20. Поэтому обычно эксперименты выполняют в сильном магнитном поле. Основным элементом радиочастотной аппаратуры, применяемой для наблюдения ЯМР, является настроенный на частоту прецессии контур, в катушку индуктивности которого помещается исследуемое вещество. Катушка выполняет 2 функции: создаёт действующее на исследуемое вещество радиочастотное магнитное поле H1и воспринимает эдс, наведённые прецессией ядерных моментов. Контур включается в радиочастотный мост или в генератор, работающий на пороге генерации.

Методом ЯМР были измерены моменты атомных ядер, впервые исследованы состояния с инверсной заселённостью уровней. Исследования релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой наряду с инфракрасной спектроскопиейстандартный метод определения строения органических молекул. Тесная связь формы сигналов с внутренним движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования заторможенных вращений в молекулах и кристаллах. ЯМР используется также для изучения механизма и кинетики химических реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля (см. Квантовый магнитометр). За открытие и объяснение ЯМР (1946) Ф. Блоху и Э. Пёрселлу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1952.

Лит.: Вloch F., «Physical Review», 1946, v. 70, № 7—8, p. 460; Bioembergen N., Purcell E.M., Pound R. V., там же, 1948, v. 73, № 7, p. 679; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Александров И. В., Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках, М., 1975; Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса с примерами из физики твердого тела, , М., 1967; Попл Д., Шнейдер В., Бернстейн Г., Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., М., 1962; Эмели Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., т. 1—2, М., 1968—69; Фаррар Т., Беккер Э., Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, пер. с англ., М., 1973.

К. В. Владимирский.

Рис. 3. Спектр ЯМР протонов в чистом этиловом спирте. Расщепление резонансных линий групп OH, CH2 и CH3 обусловлено непрямым спин-спиновым взаимодействием.

Рис. 2. Спектральная линия ЯМР.

Рис. 1. Прецессия магнитного момента m ядра в поле H0; J — угол прецессии.

Добавить комментарий

Закрыть меню